Kỹ thuật điều chỉnh băng trực tiếp bằng ứng suất hai trục tại các bong bóng MoS2 nhiều lớp

Nano Research - Tập 13 - Trang 2072-2078 - 2020
Yang Guo1,2, Bin Li3, Yuan Huang1, Shuo Du1,2, Chi Sun1,2, Hailan Luo1, Baoli Liu1,2,4, Xingjiang Zhou1, Jinlong Yang3, Junjie Li1,2,4, Changzhi Gu1,2
1Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
2School of Physical Sciences, CAS Key Laboratory of Vacuum Physics, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
3Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale and Synergetic Innovation Center of Quantum Information & Quantum Physics (CAS), University of Science and Technology of China, Hefei, China
4Songshan Lake Materials Laboratory, Dongguan, China

Tóm tắt

Kỹ thuật điều chỉnh ứng suất cung cấp một chiến lược quan trọng để điều chế các thuộc tính quang và điện của các chất bán dẫn nhằm cải thiện hiệu suất thiết bị dưới sự tác động của lực cơ học hoặc sự khác biệt giãn nở nhiệt. Ở đây, chúng tôi trình bày việc điều tra phân bố ứng suất cục bộ trên các bong bóng MoS2 nhiều lớp bằng cách sử dụng quang phát quang quét và phổ Raman. Chúng tôi quan sát được việc phát xạ băng điện trực tiếp rõ ràng với ứng suất trong bong bóng MoS2 nhiều lớp và các dịch chuyển năng lượng liên tục do ứng suất gây ra ở cả hai dạng kích thích cộng hưởng và các mode dao động từ cạnh của bong bóng MoS2 đến trung tâm (trên quy mô 10 µm), liên quan đến các dao động do phân bố nhiệt do can thiệp quang gây ra. Để hiểu những kết quả này, chúng tôi thực hiện các mô phỏng ab initio để tính toán các thuộc tính điện tử và dao động của MoS2 nhiều lớp với ứng suất kéo hai trục, dựa trên lý thuyết chức năng mật độ, cho thấy sự đồng nhất tốt với các kết quả thực nghiệm. Nghiên cứu của chúng tôi gợi ý rằng ứng suất cục bộ cung cấp một cách thuận tiện để điều chỉnh liên tục các thuộc tính vật lý của bán dẫn dichalcogenide kim loại chuyển tiếp (TMD) nhiều lớp, mở ra những khả năng mới cho việc điều chỉnh băng trong mặt phẳng 2D.

Từ khóa

#Kỹ thuật điều chỉnh ứng suất #MoS2 nhiều lớp #băng điện trực tiếp #ứng suất hai trục #tính chất điện tử #tính chất dao động

Tài liệu tham khảo

Novoselov, K. S.; Jiang, D.; Schedin, F.; Booth, T. J.; Khotkevich, W. S.; Morozov, V.; Geim, A. K. Two-dimensional atomic crystals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA2005, 102, 10451–10453. Butler, S. Z.; Hollen, S. M.; Cao, L. Y.; Cui, Y.; Gupta, J. A.; Gutiérrez, H. R.; Heinz, T. F.; Hong, S. S.; Huang, J. X.; Ismach, A. F. et al. Progress, challenges, and opportunities in two-dimensional materials beyond graphene. ACS Nano2013, 7, 2898–2926. Manzeli, S.; Ovchinnikov, D.; Pasquier, D.; Yazyev, O. V.; Kis, A. 2D transition metal dichalcogenides. Nat. Rev. Mater.2017, 2, 17033. Mak, K. F.; Xiao, D.; Shan, J. Light-valley interactions in 2D semiconductors. Nat. Photonics2018, 12, 451–460. Mak, K. F.; Shan, J. Photonics and optoelectronics of 2D semiconductor transition metal dichalcogenides. Nat. Photonics2016, 10, 216–226. Wang, H. T.; Yuan, H. T.; Hong, S. S.; Li, Y. B.; Cui, Y. Physical and chemical tuning of two-dimensional transition metal dichalcogenides. Chem. Soc. Rev.2015, 44, 2664–2680. Wang, G.; Chernikov, A.; Glazov, M. M.; Heinz, T. F.; Marie, X.; Amand, T.; Urbaszek, B. Colloquium: Excitons in atomically thin transition metal dichalcogenides. Rev. Mod. Phys.2018, 90, 021001. Kim, S.; Konar, A.; Hwang, W. S.; Lee, J. H.; Lee, J.; Yang, J.; Jung, C.; Kim, H.; Yoo, J. B.; Choi, J. Y. et al. High-mobility and low-power thin-film transistors based on multilayer MoS2 crystals. Nat. Commun.2012, 3, 1011. Xie, S. E.; Tu, L. J.; Han, Y. M.; Huang, L. J.; Kang, K.; Lao, K. U.; Poddar, P.; Park, C.; Muller, D. A.; DiStasio, R. A. Jr. et al. Coherent, atomically thin transition-metal dichalcogenide superlattices with engineered strain. Science2018, 359, 1131–1136. Martella, C.; Mennucci, C.; Lamperti, A.; Cappelluti, E.; de Mongeot, F. B.; Molle, A. Designer shape anisotropy on transition-metal-dichalcogenide nanosheets. Adv. Mater.2018, 30, 1705615. Zhao, X. X.; Ding, Z. J.; Chen, J. Y.; Dan, J. D.; Poh, S. M.; Fu, W.; Pennycook, S. J.; Zhou, W.; Loh, K. P. Strain modulation by van der Waals coupling in bilayer transition metal dichalcogenide. ACS Nano2018, 12, 1940–1948. Ahn, G. H.; Amani, M.; Rasool, H.; Lien, D. H.; Mastandrea, J. P.; Ager III, J. W. Dubey, M.; Chrzan, D. C.; Minor, A. M.; Javey, A. Strain-engineered growth of two-dimensional materials. Nat. Commun.2017, 8, 608. Bertolazzi, S.; Brivio, J.; Kis, A. Stretching and breaking of ultrathin MoS2. ACS Nano2011, 5, 9703–9709. Lloyd, D.; Liu, X. H.; Christopher, J. W.; Cantley, L.; Wadehra, A.; Kim, B. L.; Goldberg, B. B.; Swan, A. K.; Bunch, J. S.; Scott, J. Band gap engineering with ultralarge biaxial strains in suspended monolayer MoS2. Nano Lett.2016, 16, 5836–5841. Desai, S. B.; Seol, G.; Kang, J. S.; Fang, H.; Battaglia, C.; Kapadia, R.; Ager, J. W.; Guo, J.; Javey, A. Strain-induced indirect to direct bandgap transition in multilayer WSe2. Nano Lett.2014, 14, 4592–4597. Franzl, T.; Klar, T. A.; Schietinger, S.; Rogach, A. L.; Feldmann, J. Exciton recycling in graded gap nanocrystal structures. Nano Lett.2004, 4, 1599–1603. Castellanos-Gomez, A.; Roldán, R.; Cappelluti, E.; Buscema, M.; Guinea, F.; van der Zant, H. S. J.; Steele, G. A. Local strain engineering in atomically thin MoS2. Nano Lett.2013, 13, 5361–5366. Feng, J.; Qian, X. F.; Huang, C. W.; Li, J. Strain-engineered artificial atom as a broad-spectrum solar energy funnel. Nat. Photonics2012, 6, 866–872. Li, H.; Contryman, A. W.; Qian, X. F.; Ardakani, S. M.; Gong, Y. J.; Wang, X. L.; Weisse, J. M.; Lee, C. H.; Zhao, J. H.; Ajayan, P. M. et al. Optoelectronic crystal of artificial atoms in strain-textured molybdenum disulphide. Nat. Commun.2015, 6, 7381. Branny, A.; Kumar, S.; Proux, R.; Gerardot, B. D. Deterministic strain-induced arrays of quantum emitters in a two-dimensional semiconductor. Nat. Commun.2017, 8, 15053. Palacios-Berraquero, C.; Kara, D. M.; Montblanch, A. R. P.; Barbone, M.; Latawiec, P.; Yoon, D.; Ott, A. K.; Loncar, M.; Ferrari, A. C.; Atatüre, M. Large-scale quantum-emitter arrays in atomically thin semiconductors. Nat. Commun.2017, 8, 15093. Sun, J. Y.; Li, X. X.; Yang, J. L. Significantly enhanced charge separation in rippled monolayer graphitic C3N4. ChemCatChem2019, 11, 6252–6257. Zhang, C. D.; Li, M. Y.; Tersoff, J.; Han, Y. M.; Su, Y. S.; Li, L. J.; Muller, D. A.; Shih, C. K. Strain distributions and their influence on electronic structures of WSe2-MoS2 laterally strained heterojunctions. Nat. Nanotechnol.2018, 13, 152–158. Blake, P.; Hill, E. W.; Castro Neto, A. H.; Novoselov, K. S.; Jiang, D.; Yang, R.; Booth, T. J.; Geim, A. K. Making graphene visible. Appl. Phys. Lett.2007, 91, 063124. Castellanos-Gomez, A.; Agraït, N.; Rubio-Bollinger, G. Optical identification of atomically thin dichalcogenide crystals. Appl. Phys. Lett.2010, 96, 213116. Huang, Y.; Wang, X.; Zhang, X.; Chen, X. J.; Li, B. W.; Wang, B.; Huang, M.; Zhu, C. Y.; Zhang, X. W.; Bacsa, W. S. et al. Raman spectral band oscillations in large graphene bubbles. Phys. Rev. Lett.2018, 120, 186104. Conley, H. J.; Wang, B.; Ziegler, J. I.; Haglund, R. F. Jr.; Pantelides, S. T.; Bolotin, K. I. Bandgap engineering of strained monolayer and bilayer MoS2. Nano Lett.2013, 13, 3626–3630. Steinhoff, A.; Kim, J. H.; Jahnke, F.; Rösner, M.; Kim, D. S.; Lee, C.; Han, G. H.; Jeong, M. S.; Wehling, T. O.; Gies, C. Efficient excitonic photoluminescence in direct and indirect band gap monolayer MoS2. Nano Lett.2015, 15, 6841–6847. Li, H.; Zhang, Q.; Yap, C. C. R.; Tay, B. K.; Edwin, T. H. T.; Olivier, A.; Baillargeat, D. From bulk to monolayer MoS2: Evolution of Raman scattering. Adv. Funct. Mater.2012, 22, 1385–1390. Wang, Y. L.; Cong, C. X.; Qiu, C. Y.; Yu, T. Raman spectroscopy study of lattice vibration and crystallographic orientation of monolayer MoS2 under uniaxial strain. Small2013, 9, 2857–2861. Nayak, A. P.; Pandey, T.; Voiry, D.; Liu, J.; Moran, S. T.; Sharma, A.; Tan, C.; Chen, C. H.; Li, L. J.; Chhowalla, M. et al. Pressure-dependent optical and vibrational properties of monolayer molybdenum disulfide. Nano Lett.2015, 15, 346–353. Zabel, J.; Nair, R. R.; Ott, A.; Georgiou, T.; Geim, A. K.; Novoselov, K. S.; Casiraghi, C. Raman spectroscopy of graphene and bilayer under biaxial strain: Bubbles and balloons. Nano Lett.2012, 12, 617–621. Hu, Z. J.; Bao, Y. J.; Li, Z. W.; Gong, Y. J.; Feng, R.; Xiao, Y. D.; Wu, X. C.; Zhang, Z. H.; Zhu, X.; Ajayan, P. M. et al. Temperature dependent Raman and photoluminescence of vertical WS2/MoS2 monolayer heterostructures. Sci. Bull.2017, 62, 16–21. Kresse, G.; Furthmüller, J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Comput. Mater. Sci.1996, 6, 15–50. Kresse, G.; Furthmüller, J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Phys. Rev. B1996, 54, 11169–11186. Liu, Q. H.; Li, L. Z.; Li, Y. F.; Gao, Z. X.; Chen, Z. F.; Lu, J. J. Tuning electronic structure of bilayer MoS2 by vertical electric field: A First-Principles investigation. Phys. Chem. C2012, 116, 21556–21562. McCreary, A.; Ghosh, R.; Amani, M.; Wang, J.; Duerloo, K. A. N.; Sharma, A.; Jarvis, K.; Reed, E. J.; Dongare, A. M.; Banerjee, S. K. et al. Effects of uniaxial and biaxial strain on few-layered terrace structures of MoS2 grown by vapor transport. ACS Nano2016, 10, 3186–3197. Dong, L.; Dongare, A. M.; Namburu, R. R.; O’Regan, T. P.; Dubey, M. Theoretical study on strain induced variations in electronic properties of 2H-MoS2 bilayer sheets. Appl. Phys. Lett.2014, 104, 053107. Fichter, W. B. Some solutions for the large deflections of uniformly loaded circular membranes. NASA Tech. Pap.1997, 3658, 1–20. Sun, Y. W.; Liu, W.; Hernandez, I.; Gonzalez, J.; Rodriguez, F.; Dunstan, D. J.; Humphreys, C. J. 3D strain in 2D materials: To what extent is monolayer graphene graphite? Phys. Rev. Lett.2019, 123, 135501.