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冷热台在“通过椭圆偏振光谱法研究 MoTe 2薄膜的温度和厚度相关介电函数”的应用

  • 分类:技术文章
  • 作者:华中科技大学-方明胜
  • 来源:https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154813
  • 发布时间:2024-01-12
  • 访问量:0

【概要描述】

冷热台在“通过椭圆偏振光谱法研究 MoTe 2薄膜的温度和厚度相关介电函数”的应用

【概要描述】

  • 分类:技术文章
  • 作者:华中科技大学-方明胜
  • 来源:https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154813
  • 发布时间:2024-01-12
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了解 2D MoTe 2 与温度和厚度相关的光学特性的物理起源对于其在纳米电子学和光电子学中的应用至关重要。在这里,我们通过光谱椭圆光度法研究了5–25 nm MoTe 2薄膜在 100 K 至 450 K 温度和 0.75–5.91 eV 能量范围内的介电函数。在介电函数中观察到六个临界点(CP)A-F,并且由于厚度缩放效应,它们的中心能量和强度表现出新颖的厚度依赖性。光学跃迁CP A-D 的位置在能带结构和部分态密度 (PDOS) 中指出。此外,通过将温度从100 K调节到450 K,CP的振幅减小,CP的展宽增加,CP的中心能量呈现玻色-爱因斯坦衰减趋势。 CP A 和 B 中心能量之间的差值 Δ E表示 MoTe 2中的自旋轨道分裂值,发现该值保持在 320 meV 左右,并且与温度和厚度无关。结果表明,CPs A和B中的电子-声子相互作用强度随着厚度的增加呈现“V”演变趋势,这可能归因于厚度缩放效应和表面粗糙度增加的交替效应。

二维(2D)材料,如半金属石墨烯、半导体过渡金属二硫属化物(TMDC)、绝缘六方氮化硼(hBN),由于其新颖的物理特性而成为过去十年的热点[1],[ 2]、[3]、[4]、[5]。特别是,具有分层 MX 2的 TMDC这种结构具有多种显着的电子/光学特性,例如高载流子迁移率[6]、可调谐带隙[7]、大激子结合能[8]和谷选择性圆二色性[9]。此外,TMDC广泛应用于各种光电器件,包括场效应晶体管[10]、超级电容器[11]、超宽带光电探测器[12]、可饱和吸收器[13]和光伏器件[14]。因此,准确表征和理解 TMDC 的光学/电子特性对于基于 TMDC 的光电器件的精确建模和设计至关重要。 在各种TMDCs材料中,MoTe 2一直是一个非常有趣的课题[15]、[16]、[17]。具有三方棱柱配位的2H相MoTe 2是半导体,而1T'相单层MoTe 2是二维拓扑绝缘体,而块体1T'相MoTe 2预计是Weyl半金属[18]。在2H相中,随着厚度的增加,MoTe 2的带隙从1.1 eV(单层)到0.8 eV(块体)变化,并且表现出从直接到间接的带隙交叉[19],[20]。单层2H相MoTe 2存在强激子和三重子,可通过MoTe 2中的静电掺杂进行调制基于电子设备[20]。其载流子迁移率在室温下可以达到200 cm 2 V -1 s -1,并且由于Te元素较重,因此比其他Mo基TMDC具有更强的自旋轨道耦合效应[21],[22],[23]。凭借这些独特的性能,2D 2H-MoTe 2在光电子、催化、柔性电子和忆阻器等领域具有广泛而有前景的应用[24],[25],[26]。为了指导MoTe 2基光电器件的设计和优化,获得2D 2H-MoTe 2准确且定量的光学特性并研究其他因素引起的光学特性的演化至关重要。 近年来,人们通过拉曼光谱、光致发光(PL)光谱、吸收/透射/反射光谱和太赫兹(THz)光谱等一些典型的实验技术研究了2D 2H-MoTe 2的光学性质[19]。 [27]、[28]、[29]。张等人。研究了 300 K 至 500 K 温度范围内温度对单层、少层和块状 MoTe 2拉曼光谱的影响,发现随着温度的升高,拉曼模式的线性频率红移,这是由非简谐效应引起的原子间能量[27]。鲁珀特等人。测量了剥离的单层和多层 2H MoTe 2的不同光谱通过PL、拉曼和光吸收,观察到单层2H MoTe 2的强PL吸收。基于这些光学结果,他们证明单层 2H MoTe 2是一种具有 1.10 eV 光学带隙的直接带隙半导体 [28]。莱萨马等人。利用低温微反射(MR)和温度依赖性PL系统研究了少层MoTe 2的带隙结构和光谱。他们注意到单层和双层的集成 PL 强度相等,三层的集成 PL 强度逐渐降低,四层的强度显着衰减,显示出 2D MoTe 2中从直接带隙到间接带隙的交叉[19]。在太赫兹光谱的帮助下,Zheng等人。据报道,由于有效的阶梯式载流子倍增和极高的载流子迁移率,在几层 MoTe 2中发生了有效的光电流倍增,表明自由载流子参与了倍增过程[29]。然而,本征介电函数不能直接从这些光学技术中导出,但可以通过光谱椭圆光度术(SE)精确定量地获得[30]。只有少数报道关注2H相2D MoTe 2的介电函数[31]、[32],并且还没有通过SE对2H相2D MoTe 2的厚度和温度依赖性介电函数进行系统研究。 在这项工作中,我们研究了 5–25 nm 2H 相 MoTe 2的介电功能通过椭圆偏振光谱仪 (SE) 测量了温度范围为 100 K 至 450 K、能量范围为 0.75-5.91 eV 的薄膜,并借助第一原理计算揭示了这些可调谐光学特性背后的物理原理。通过使用临界分析,在介电函数谱中观察到六个临界点 (CP) A–F。在室温(约 293 K)下,由于厚度缩放效应,CP 的中心能量和强度表现出新颖的厚度依赖性,并且在能带结构和部分态密度(PDOS)中指出了 CP A-D 的光学跃迁位置。此外,当温度从100 K变化到450 K时,由于热噪声的增强,A-D CP的中心能量呈现玻色-爱因斯坦衰减趋势,CP的振幅减小,CP的展宽增加,晶格热膨胀和电子-声子相互作用。温度对CPs中心能量、振幅和展宽的影响具有不同的厚度依赖性。 CPs A和B中电子-声子相互作用的强度随着厚度的增加呈现“V”演变趋势,这可能归因于厚度缩放效应和表面粗糙度增加的交替作用。

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