基于偏振拉曼光谱探究二硫化铼各向异性

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二维二硫化铼(ReS2)材料是层状过渡金属硫族化合物中的重要一员,金属Re原子和上下两层的非金属S原子构成低对称的八面体配位(1T′)结构,使ReS2层间耦合较弱,且带隙值不随层数变化。低对称性的晶格结构使ReS2具有平面内各向异性的物理性能,如基于少层ReS2的场效应晶体管,沿着两个晶轴方向的载流子迁移率各向异性比可达到3.1,基于少层ReS2光电探测器,宽波段范围内各向异性吸收实现了偏振光检测,这些优异的物理性能使ReS2在电子学和光电子学等领域都具有极好的应用前景。拉曼光谱具有检测速度快、光谱包含信息丰富以及实验操作简单等优点,广泛应用于探测和研究二维材料表征、生物成像等领域。偏振拉曼光谱是在拉曼光谱的基础上迅速发展起来的,可用于二维各向异性材料的偏振拉曼张量、双折射现象以及确定各向异性材料的晶轴方向等方面的探测。利用偏振拉曼光谱确定二维各向异性材料的晶轴方向已经成为一种快速识别晶轴的常规方法,促进了与晶向相关的研究及应用。本论文利用偏振拉曼光谱系统地研究了ReS2层数相关的热学性能。在90K-570 K的温度变化范围内,入射光偏振平行于b轴/a轴,观察到ReS2模式V的拉曼峰峰位红移了~3 cm-1,这主要归因于ReS2的热膨胀效应和原子间势能的非简谐振动。此外,引入半定量模型,考虑晶体体积效应,基于拉曼峰峰位随温度变化获得不同层数的ReS2晶体分别沿b轴和a轴的热膨胀系数,从而基于偏振拉曼光谱实现了对ReS2热学上各向异性的探测。此外,基于声子衰减还定量分析了拉曼模式的半高宽与温度的定量关系。本部分的研究工作将有助于促进对ReS2热学各向异性的理解,并为探索基于二维ReS2材料在光电器件上的热稳定性打下一定基础。ReS2低对称性的晶格结构使其具有双折射和线性色散等光电性能,在电子学和光电子学中展现出新的应用,但目前缺乏定量调控ReS2各向异性的方法。本论文采用Ar+离子轰击,在ReS2中引入空位缺陷,并基于单层石墨烯进行定标,进而实现了在ReS2晶体内引入7.1×1011cm-2到7.7×1012 cm-2范围内的缺陷密度。基于偏振拉曼光谱定量探测ReS2各向异性的变化,当入射光偏振方向沿着b轴和垂直b轴时,模式V的拉曼强度分别呈现出最大(Imax)和最小(Imin)强度值,因此可以利用模式V强度比Imin/Imax探究ReS2各向异性的变化。在1层、2层及8层ReS2中引入相同的缺陷密度(3.6×1012 cm-2),实验发现单层ReS2 Imin/Imax比值从0.048升高到0.184,8层Imin/Imax比值从0.029升高到0.032,可见相同缺陷密度下,单层ReS2的各向异性更容易受缺陷调控。此外,还系统地研究了单层ReS2各向异性随缺陷密度的定量变化,缺陷密度从7.1×1011cm-2增加到7.7×1012 cm-2,Imin/Imax比值从0.078增加到0.286。建立定量模型探究缺陷密度与各向异性关系,考虑缺陷的引入会引起载流子各向同性的散射,缺陷密度增加,各向同性散射面积增加,从而引起ReS2各向异性降低。最后,根据实验结果拟合,得到与缺陷相关的各向同性散射范围,为2.86 nm。此研究结果将促进偏振拉曼光谱定量探测二维各向异性材料的各向异性,同时也提供了一种调控各向异性性能的方法。
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