单层 MoS2 和 ReS2 在 SiO2/Si 和石英衬底上的反射光谱的偏振特性

介绍

石墨烯研究的快速进展激发了人们对其他几种二维层状材料的兴趣。最近，由于观察到显着的电子和光学特性，过渡金属二硫属元素化物 (TMD) 引起了相当大的关注 [1,2,3]。这些 TMD 晶体可以生长或机械剥离至单层厚度，类似于石墨烯的剥离。然而，与石墨烯相比，单层 TMD 由不止一种元素组成，这使得它们的物理性质比石墨烯更复杂。在 TMD 中，MoS2 是研究最广泛的，其中一个 Mo 平面夹在两个 S 平面之间，通常具有 2H 结构 [4]。与这些高对称性六边形结构（如 MoS2）相比，另一种 TMD（如 ReS2）引起了极大的兴趣，它表现出扭曲的 1T' 结构 [5]。上部和下部 S 原子将中间层的 Re 原子夹在中间，具有六边形结构，具有额外的 Peierls 扭曲 [5]。这是因为铼原子拥有一个额外的价电子，导致在 ReS2 中形成额外的 Re-Re 键（单层 MoS2 和 ReS2 的原子结构图显示在附加文件 1：图 S1 中。）对称性降低在 ReS2 中引起显着的面内各向异性，因此增加了额外的自由度，这使得 ReS2 成为制造 FET 和偏振敏感光电探测器的有趣材料 [5, 6]。在本文中，我们通过 SiO2/Si 和石英衬底上的角度相关反射光谱测量探测了单层（缩写为符号 SL）MoS2 和 ReS2 薄片的偏振特性。我们的研究结果将阐明这些强各向异性层状材料的新效应，并可根据经验用于确定晶体取向。

材料和方法

本文中不同层数的 MoS2 和 ReS2 薄片是通过微机械裂解法从块状 MoS2 和 ReS2 晶体上剥离下来的，并在基板上制备。样品与底物的相互作用不同，应考虑底物对实验结果的影响。因此，我们选择了两种衬底：一种是覆盖有 89 nm SiO2 的 Si{100} 衬底，另一种是厚度为 1 mm 的石英晶体，以支持 MoS2 和 ReS2 薄片（SL 的光学显微图像） MoS2 和 SL ReS2 薄片支撑在 SiO2/Si 衬底上和支撑在石英衬底上，如附加文件 1：图 S2 所示。）SL 二硫属化物的厚度在 0.6 到 0.7 nm 之间，这对测量仪器的测量精度非常敏感。我们使用了超低频拉曼光谱 [7, 8]（SL MoS2 和 SL ReS2 薄片支撑在 SiO2/Si 衬底上和石英衬底上的超低频拉曼光谱显示在附加文件 1：图 S3 中。）和光致发光 (PL) 光谱 [8, 9]（SL MoS2 和 SL ReS2 薄片支撑在 SiO2/Si 衬底上和石英衬底上的 PL 光谱显示在附加文件 1：图 S4 中。）以准确确定 SL MoS2和 ReS2 薄片。

反射光谱测量是使用 Jobin-Yvon HR800 微拉曼系统在反向散射几何中进行的。使用卤钨灯作为光源，光斑尺寸在 2 μm 以下。 × 100（NA =0.9）的物镜用于保证样品尺寸大于5 μm时测试的准确性。最好的反射光信号是通过聚焦显微镜以获得最大峰值强度来实现的。反射光谱是从样品和裸基板在 400-800 nm 的宽波长范围内测量的。使用了每毫米 600 线的光栅，这使得每个 CCD 像素能够覆盖 1 nm。偏振器放置在样品前面的光路上。通过将偏光片从0°连续旋转到360°，入射光和反射光的偏振方向同时随着偏振角从0°变化到360°。当偏光片旋转到一定角度时，样品（SL MoS2 或 SL ReS2）和衬底（SiO2/Si 或石英）的反射光谱被测量一次。所有偏振反射光谱都是在保持灯强度不变的条件下测量的。我们使用了 R (sam + sub) 和 R (sub) 分别表示样品和裸基板的反射强度，并使用光学对比法通过R公式对数据进行归一化 OC =1 − R (sam + sub)/R (sub)（基材为 SiO2/Si）或 R OC =R (sam + sub)/R (sub) − 1 (衬底是石英)。在接下来的研究中，分别展示了SL MoS2和ReS2在不同基材上的角度依赖性光学对比度。

结果与讨论

SiO2/Si 衬底上的 SL MoS2

我们首先通过从 0 到 360° 连续旋转偏振器来测量负载在 SiO2/Si 衬底上的 SL MoS2 的偏振反射光谱。偏光器每 30° 旋转一次。图 1a 显示了光学对比度随偏振角从 0 到 180° 的变化。原始曲线相互重叠，为了清晰起见，处理过的曲线被偏移。由于 A 和 B 激子发射，在 ~ 611 nm 和 ~ 658 nm 处有两个峰 [10, 11]。我们选择它们作为参考，并在图 1 b 和 c 中分别用粉红色和红色圆圈显示了它们在偏振角从 0 到 360° 的情况下的强度。两个峰的强度基本不变，这是我们应该预测的，因为SL MoS2是六边形对称的。

一 负载在 SiO2/Si 衬底上的 SL MoS2 薄片的偏振光学对比度曲线。 b 从 0 到 360°~ 611 nm 处的强度变化。 c 0~360°~ 658 nm处的强度变化

SiO2/Si 衬底上的 SL ReS2

如下测量负载在 SiO2/Si 衬底上的 SL ReS2 的偏振反射光谱。具有从 0 到 180° 变化的偏振角的 SL ReS2 薄片的光学对比度曲线如图 2a 所示，并且为了清晰起见进行了偏移。在~ 457 nm处有一个谷，在~ 629 nm处有一个峰[12]，表明SL ReS2的结晶结构与SL MoS2不同。随着偏振角的变化，~ 457 nm和~ 629 nm处的强度发生变化。以它们为参考，我们在图 2 b 和 c 中分别用粉红色和红色圆圈显示了它们的强度，偏振角从 0 到 360°。两个位置的强度都显示出对偏振角的偏振依赖性，这是由 SL ReS2 中的低晶体对称性直接导致的。 SL ReS2 晶格的面内畸变预计将深刻影响多层 ReS2 晶体中的层间耦合，因为在 SiO2/Si 衬底上支撑的各向异性堆叠 2 L ReS2 薄片的光学对比度曲线中发现了类似的偏振依赖性[12] 甚至在类各向同性堆叠的 2 L ReS2 薄片的超低频拉曼光谱和 PL 光谱中 [8]。

一 负载在 SiO2/Si 衬底上的 SL ReS2 薄片的偏振光学对比度曲线。 b 从 0 到 360°~ 457 nm 处的强度变化。 c 0~360°~ 629 nm处的强度变化

我们通过一阶傅立叶公式将~ 457 nm和~ 629 nm处的强度函数拟合为偏振角：f (θ ) =a0 + a1 × cos(θ × w ) + b1 × sin(θ × w )，其中 θ 是极化角； a0、a1 和 b1 是幅度；和 w 是频率。在~ 457 nm和~ 629 nm处，最小和最大强度的位置分别读取为20°和110°。拟合曲线也用蓝线绘制在图 2b 和 c 中。在~ 457 nm处，a0 =8.269，a1 =− 4.878，b1 =− 4.585，w =0.0348，在~ 629 nm处，a0 =34.27，a1 =− 5.99，b1 =− 4.747，w =0.03525。由于几乎相等的w，它们与偏振角的变化周期基本相同 .它应该来自SL ReS2中的扭曲结构。

石英基板上的 SL MoS2

由于 SiO2/Si 基板是不透明的，入射光通过空气/样品和样品/基板的界面，最终被基板吸收。同时，反射光从各个界面收集并最终传输到空气中。多层结构中发生的光学干涉和衬底的物理性质除了样品外还包括在出射反射信号中[12]。 SiO2/Si 衬底是偏光衬底，尽管我们使用光学对比法通过 R 公式对数据进行归一化 OC =1 − R (sam + sub)/R （子）。为了消除衬底偏振特性的干扰，由于石英衬底的透明性和各向同性，我们在石英衬底上测量了SL MoS2和ReS2的偏振反射光谱。

由于石英基板是透明的，因此样品台应悬空放置，以确保测量过程中的透明度。入射光通过空气/样品、样品/基材和基材/空气的界面，最终被空气吸收以避免干扰反射光的收集。我们使用了R的公式 OC =R (sam + sub)/R (sub) − 1 对数据进行归一化。图 3a 显示了 SL MoS2 薄片在石英基板上的偏振光学对比度曲线，偏振角从 0 到 180°。可以看出，在~ 615 nm和~ 665 nm处也有两个与A和B激子相关的峰。由于对不同衬底的干涉效应，它们的位置比 SiO2/Si 衬底上支持的位置有一些向长波长移动 [11]。我们用图 3 b 和 c 中的偏振角绘制了它们的强度。随着偏振角的变化，两个峰的强度几乎没有变化，这表明SL MoS2的面内各向同性特性在它们附着在任何基材上时都不会改变。

一 负载在石英衬底上的 SL MoS2 薄片的偏振光学对比度曲线。 b 从 0 到 360°~ 615 nm 处的强度变化。 c 0~360°~ 665 nm处的强度变化

石英基板上的 SL ReS2

图 4a 显示了石英衬底上 SL ReS2 薄片的偏振光学对比度曲线，其中在 ~ 477 nm 和 ~ 641 nm 处有两个谷。支撑在石英衬底上和支撑在 SiO2/Si 衬底上的特征差异也是由于对不同衬底的干扰效应[11]。图 4 b 和 c 显示了两个谷的强度和偏振角。它们都显示出对偏振角的偏振依赖性，这表明 SL ReS2 是面内各向异性的，而与衬底无关。我们通过一阶傅立叶公式将~ 477 nm和~ 641 nm处的强度与偏振角的关系拟合：f (θ ) =a0 + a1 × cos(θ × w ) + b1 × sin(θ × w )，其中a0 =0.3168，a1 =− 0.02215，b1 =− 0.0004139，以及w =0.03422 在 ~ 477 nm 和 a0 =0.2941、a1 =− 0.06608、b1 =− 0.005685 和 w 在~ 641 nm处=0.0349。在~ 477 nm和~ 641 nm处，最小和最大强度的位置分别读取为0°和90°。拟合曲线也用蓝线绘制在图 4b 和 c 中。 w 在~ 477 nm和~ 641 nm处基本相同，几乎等于在SiO2/Si衬底上支撑的SL ReS2薄片~ 457 nm和~ 629 nm处的基本相同，这意味着SL ReS2薄片中的极化特性呈现变化趋势在正弦或余弦函数中，偏振角从 0° 变化到 360°，并且当它们附着在任何基板上时，周期都是均匀的。

一 支持在石英衬底上的 SL ReS2 薄片的偏振光学对比度曲线。 b 从 0 到 360°，在 ~ 477 nm 处的强度变化。 c 0~360°~ 641 nm处的强度变化

结论

总之，已经通过偏振反射光谱研究了 SiO2/Si 衬底和石英衬底上的 SL MoS2 和 ReS2，由于六边形结构和 SL ReS2 的面内各向异性，偏振反射光谱确定了 SL MoS2 的显着面内各向同性具有六边形结构的附加扭曲结构。根据随偏振角的偏振光学对比度曲线，SL MoS2 和 ReS2 中存在一些由不同晶体结构预测的波长相关的峰或谷。峰或谷处的强度随偏振角的变化证实了 SL MoS2 和 ReS2 中存在不同的角度相关特性。在一些与 MoS2 具有类似结构的 SL 2D 材料中存在相同的特性，例如 WS2、MoSe2 和 WSe2，以及与 ReS2 具有类似结构的一些 SL 2D 材料，例如 ReSe2 和 WTe2。还有许多其他 SL 2D 材料具有其他类型的不对称晶格结构，例如 BP 和 SnSe，它们具有沿着 y 延伸的带有“槽”的强屈曲蜂窝板 -轴。这些样本也可能显示出各向异性特征。这意味着考虑到样品种类繁多，一些新的偏振相关电子器件可能很快就会实现和推广。

数据和材料的可用性

SL MoS2 和 SL ReS2 薄片通过微机械解理法从块状 MoS2 和 ReS2 晶体上剥离，制备在两种衬底上：Si {100} 衬底覆盖有 89-nm SiO2 和石英晶体，厚度为 1 mm ，并通过超低频拉曼光谱和PL光谱进行鉴定。反射光谱测量是使用 Jobin-Yvon HR800 微拉曼系统在反向散射几何中进行的。使用卤钨灯作为光源。偏振器放置在样品前面的光路上。通过将偏光片从0°连续旋转到360°，测量样品和基板的偏振反射光谱，并采用光学对比法对数据进行归一化。

缩写

PL：

光致发光

SL：

单层

TMD：

过渡金属二硫属化物