Multimodal Imaging of WSe2

 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)는 층에 따른 독특한 전자 및 광학 특성을 지닌 다기능 반도체 물질로, 여러 가지 연구 응용 분야에 사용될 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 이러한 특성의 종합적인 특성 분석은 여러 현미경 및 분광학 기법으로부터 정보를 수집하여 달성할 수 있습니다. 최근 애플리케이션 노트에서 화학 기상 증착(CVD)으로 성장한 WSe2 결정은 반사형 명시야(BF) 및 암시야(DF), 라만, 광발광(PL), 2차 고조파 생성(SHG) 등 5가지 이미징 모달리티를 갖춘 RMS1000 공초점 현미경을 사용하여 특성화되었습니다(그림 1). 각 모달리티를 순차적으로 사용하여 크리스탈을 이미지화함으로써 크리스탈의 특성에 대한 더 많은 정보를 얻을 수 있었고 이전에 관찰된 효과에 대한 가정을 확인할 수 있었습니다.

결정은 현미경의 반사형 BF 및 DF 설정을 사용하여 먼저 광시야 이미지화되었습니다. 그림 1a의 BF에서는 결정이 빛을 흡수하여 증착된 기판보다 더 어둡게 보입니다. 또한 결정에서 핵 형성 부위에 기인하는 어두운 반점과 결정 중앙에 강하게 흡수하는 삼각형 영역이 있어 다층 WSe2를 시사하는 것을 볼 수 있습니다. 그림 1b의 DF에서 비스듬한 각도의 조명으로 인해 샘플 표면 높이의 모든 단계가 현미경 대물렌즈로 빛을 산란시키는 경우, 중앙 삼각형 영역은 높이가 다른 두 영역을 포함하는 것으로 드러납니다. 이는 서로 다른 WSe2 층 수 때문일 수 있으며, 분광 분석을 통해 이에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.

Figure 1. Multimodal imaging of a WSe2 crystal using the RMS1000 Confocal Microscope.

그런 다음 결정은 라만을 사용하여 이미지화했습니다(그림 1c). WSe2는 250cm-1에서 라만 피크가 있으며(그림 1d), 이는 WSe2의 평면 내 E12g 및 A1g 포논 모드에 해당합니다. BF에서 더 많이 흡수하고 DF에서 가장자리 효과를 나타내는 결정의 중앙에서 310cm-1의 추가 피크를 볼 수 있으며 그림 1d에서 화살표로 강조 표시되어 있습니다. 이 피크는 단층 형태의 물질에서는 금지된 대칭이기 때문에 다층 WSe2를 나타냅니다. 스펙트럼 내 모든 피크의 강도, 모양 및 라만 시프트를 고려하는 Ramacle® 스펙트럼 매칭 분석을 사용하여 결정에서 세 가지 다른 스펙트럼 영역을 식별했습니다. 결정의 라만 이미지에서 파란색 영역은 단층 WSe2이고, 내부 삼각형 영역은 DF 이미지와 일치하는 두 개의 서로 다른 빨간색과 녹색 영역으로 구성되며, 약간 다른 E12g 및 A1g 피크가 있습니다.

다음으로 PL 이미징을 사용하여 결정의 이질적인 중앙 영역에 대한 자세한 정보를 얻었습니다(그림 1e). PL 스펙트럼 매칭을 통해 결정에서 라만과 동일한 스펙트럼적으로 뚜렷한 영역을 확인했지만, 추출된 스펙트럼은 훨씬 더 쉽게 구분할 수 있었습니다(그림 1f). 중앙 영역의 빨간색 영역에서는 단층 영역에 비해 PL 강도가 감소하고 870nm에서 더 긴 파장의 숄더 피크도 보입니다. 녹색 영역에서는 원래의 단층 PL 피크가 더 감소하고 더 긴 파장 숄더가 더 뚜렷해집니다. 이러한 스펙트럼 효과는 WSe2의 2D 층이 벌크 물질에 접근함에 따라 관찰되는 밴드갭의 변화와 일치하므로 빨간색과 녹색 영역은 각각 이중층과 삼중층으로 지정되었습니다.

마지막으로, 이 세 가지 영역 내의 층 방향을 결정하기 위해 결정에 대해 SHG 이미징을 수행했습니다(그림 1g). SHG는 WSe2의 결정 대칭에 매우 민감하며, 측정된 부피에 비중심 대칭이 있는 경우에만 나타납니다. 결정의 단층 영역은 비중심 대칭이므로 SHG 응답을 생성합니다. 다층 WSe2의 적층 방향은 홀수 다층은 순 비중심 대칭이므로 층 수에 따라 강도가 증가하는 SHG를 생성하고, 짝수 다층은 중심 대칭이므로 SHG를 생성하지 않는다는 것을 의미합니다. 따라서 PL 이미징에서 복층 WSe2로 표시된 영역에서는 비교적 작은 SHG 응답이 나타나고, 삼층 영역에서는 단층 영역보다 SHG 응답이 더 큰 것이 이해가 됩니다(그림 1h).