Диссертация (1091554), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

Экспериментальныеисследованияполитипизмавслояхдихалькогенидов переходных металловВ главе 1 была показана возможность изменения ширины запрещеннойзоны ДПМ при изменении количества атомных слоев. Однако в этихматериалах при уменьшении числа слоев происходит не только изменениеширины запрешенной зоны – симметрия также претерпевает изменения.ОбъемныеДПМпредставленыразличнымиструктурнымимодификациями (политипами), каждая из которых создана путем укладкислоевидентичнойструктурыисостава,ноотличающихсяпоследовательностью их укладки.79Существуют работы, в которых исследуется политипизм ДПМ какэкспериментальнотакитеоретически[149,150].Помимоцентросимметричного объёмного 2Н-политипа с ячейкой, состоящей из двухслоёв, существует нецентросимметричный объёмный 3R-политип, состоящийиз трёх слоёв.

Элементарная ячейка 2H-политипа представляет собой двойнойслой молекул вещества, обладающий симметрией P 6 m2 (рис. 23б), 3R –тройной стой с симметрией P63 / mmc (рис. 23в). Схематичный видодинарного слоя представлен на рис. 23a (симметрия R3m ).Схематическое представление структуры MoS2: монослой(а), 2H-политип (б) и 3R-политип (в). а и с – параметры элементарнойячейки.Политипизм ДПМ играет важную роль в создании устройствнаноэлектроники. Например, возможно создание спин - поляризованного токав нецентросимметричных слоях 3R-MoS2 [120,121].80Помногимпричинамодиночныеслоисчитаютсянаиболееперспективными структурами.

Однако их комбинации, образовывающиенаноразмерныемультислои,оказалисьвесьмаперспективныдляоптоэлектроники. В ряде современных работ (например [151]), было показано,чтослоиWS2,толщиной42нмобладаютэлектрическими,светочувствительными и газо-чувствительными свойствами, позволяющимиприменять их для создания полевых транзисторов, высокочувствительныхфотоприемников и газовых датчиков.

С учетом этих возможностей,необходима техника оперативного анализа наноразмерных слоёв ДПМ,полученных таким простым и дешевым способом механической эксфолиации.В данном разделе, для исследования симметрии эксфолиированныхкристаллитов MoS2 толщиной от 3 до 200 нм применялся метод нелинейнооптической микроскопии, описанный в главе 2.

В качестве подложкииспользовалась структура SiO2/Si с толщиной оксида 19 нм. Как было указановыше,такаятолщинаокислапозволяетисключитьвлияниеинтерференционных эффектов, связанных с распространением излучения вслое оксида, таким образом свойства образца будут определяться в основномполитипом кристаллита. Оба вида политипов (центросимметричный инецентросимметричный) рассматриваются в рамках электро-дипольных иквадрупольных приближений и экспериментально.В дополнение к методу ВГ, позволяющему различить политипы междусобой,использовалсяметодфотолюминесценциидлядоказательстваприсутствия в структуре различных политипов.

После осаждения на подложкупо методике, описанной в главе 3, исследуемые образцы представляли собойсмесь различно ориентированных кристаллитов MoS2. Для исследованиятолщин кристаллитов, использовался метод АСМ. Для оценки нелинейнойвосприимчивости в качестве эталонного образца использовалась пластинкамонокристаллического GaAs.81На рисунке 24а и 24б показаны изображения отдельных кристаллитовMoS2 полученных с помощью видеокамеры и АСМ микроскопии.

Из этихизображений ясно видно, что исследуемый кристаллит состоит из двух частей,обозначенных А и В, толщиной 10 нм и 50 нм соответственно. На рис. 24впоказано изображение, полученное с помощью микроскопии ВГ. При этомкартина, полученная с помощью нелинейно-оптической микроскопии, сильноотличается от остальных: область А довольно однородна по интенсивностиВГ, в то время как область В неоднородная. Она состоит из региона схожейинтенсивности с регионом А и сегмента с переменной интенсивностью ВГ(рис.

24в). При азимутальном вращении образца суммарная интенсивностьизображения изменяется, но контраст (отношение интенсивности различныхчастей) сохраняется и практически остаётся постоянным.Для количественного анализа на поверхности образца были выбраныточки 1-5, соответствующие различным регионам кристаллита MoS2. В этихточках были получены азимутальные зависимости I 2 ( ) (рис. 24г).Несмотря на большой разброс по интенсивностям сигнала, характеразимутальных зависимостей во всех точках полностью совпадает: все ониобладают 6 периодами и одинаковым положением минимумов сигнала. Этоможет свидетельствовать о том, что данный кристаллит является переменнымпо толщине.

Такой же эффект наблюдался и на всех других исследованныхструктурах.82Изображение MoS2, полученное с помощью с видеокамеры(а); АСМ (б) и микроскопии ВГ (в) изображение образца. А и B – дваразличных по толщине кристаллита (10 и 50 нм соответственно).Азимутальные зависимости ВГ в точках 1-5 (г).Зависимость интенсивности ВГ от толщины беспорядочна. На рис. 24обе области А и В достаточно ровные, в то время как интенсивность ГВГотличается более чем в 2 раза.В регионе В единственным зафиксированным изменением в топографиибыла ступенька высотой 2 нм, вносящая вклад в разницу интенсивности ВГмежду точками 4 и 5. При этом никаких изменений по толщине, которые моглибы объяснить различие интенсивности ВГ между точками 2, 3 и 4, обнаруженоне было.83Так же был исследован набор кристаллитов с отличной от исследуемыхранее толщиной (рис. 25).

На представленных изображениях можно увидетьоднородный по сигналу ВГ и топографии кристаллит (рисунок 25 б-в).В кристаллитах большой толщины также присутствуют темные пятна (вчастности темный квадрат на рис. 25е соответствует толщине в 170нм).Изображения различных кристаллитов полученные спомощью встроенной видеокамеры (a,г), АСМ микроскопии (б,д) имикроскопии ВГ (в,е).

Цветовые температуры оптимизированы длякаждого из изображений отдельно. Изображения ВГ получены примаксимальной интенсивности азимутальной зависимости.Существует четыре возможных комбинации в кристаллах MoS2. Длянецентросимметричного3R-политипаточечнаягруппасимметриисоответствует С3v ( 3m ). Для центросимметричного 2H-политипа точечнаягруппа симметрии соответствует D6h ( 6 / mmm ). Кристаллографический срезповерхности кристаллита, полученного с помощью метода эксфолиации,соответствует (001). Для счетного числа слоев, симметрия различна для их84четных и нечетного количества. Для нечетного числа слоев, в том числе имонослоя, точечная группа симметрии D3h ( 6m2 ).

Для четных чисел слоев,точечная группа симметрии D3d ( 3m ).Анализсимметрииэлектро-дипольноговклададляобеихнецентросимметричных групп показывает, что для поверхности кристаллита(001) азимутальная зависимость поля ВГ (по аналогии с [151]) будет иметьвид:(2)E 2   xxxcos(3 ) Ex Ex ,(21)(2)где,  xxx- компонент тензор нелинейной восприимчивости, E  и E 2 -электрические поля волны накачки и волны ВГ, соответственно.Из уравнения (21) следует, что азимутальная зависимость должнаобладать 6-ю периодами, что подтверждается в данных экспериментах длявсех микрокристаллитов (рисунок 24(г)). Анализ электро-квадрупольноговклада оставшихся центросимметричных групп для поверхности кристаллита(001) показывает, что интенсивность генерации ВГ для них обращается в ноль.Сигнал ВГ слоев MoS2 значительно выше сигнала подложки Si/SiO2, чтоможетсвидетельствоватьотом,чтобольшинствослоевнецентросимметричны (3R-политип).Однако зависимость сигнала ГВГ от толщины слоев неравномерна итребует дополнительного анализа.

В поглощающих средах, два параметраопределяют глубину зондирования ВГ при отражении. Первый из них - длинакогерентности lc , а второй – глубина проникновения l pen . На длине волнынакачки в 800 нм MoS2 является практически прозрачным, однако, на длиневолны ВГ в 400 нм он сильно поглощает оптическое излучение.Следовательно, для оценки определяющего фактора необходимо осуществитьсравнение глубины проникновения оптического излучения на длине волны400 нм и длины когерентности.85В геометрии на отражение когерентная длина задается следующимвыражением:lcoh   / 4(n  n2 ) ,(22)где  – длина волны накачки, n  4,4 и n2  4,6 – показатели преломленияна длине волны накачки и ВГ, соответственно [152].

Подставив указанныеконстанты в выражение (22), получим, что lcoh  22нм .Глубина проникновения определяется законом Бера-Ламберта ирассчитывается как:2l pen 2 / 4 k2(23)2В данном случае k2  2,6 [152], отсюда l pen 12нм .Интенсивность ВГ зависит от толщины как I 2 (d )  d 2 только в тех2кристаллитах MoS2[153], для которых выполняется условие d  l pen lcoh / 2 .Для более толстых образцов, значение d перестает быть определяющим2и интенсивность ГВГ ограничивается только глубиной проникновения l pen,которая постоянна для любой толщины.Спомощьюэтогоподходаможнооценитьнелинейнуювосприимчивость объёмных материалов. Для этого был использован принцип,предложенный в работе [154], который основан на сравнении интенсивностейВГ от исследуемого образца и от эталонного образца, полученных водинаковых условиях.

Это сравнение учитывает поправку к нелинейнойвосприимчивости (2) ,вызваннуюразличиемэффективнойдлины: (2)   (2) ref (leff / leffref ) (здесь верхний индекс " ref " относится к эталонномуобразцу).86Такимобразом,быларассчитанаэффективнаянелинейная2восприимчивость кристаллита толщиной d , принимая leff  d для d  l penи22для d  l pen(схема генерации ВГ приведена на рис. 26). Максимальноеleff  l penзначение в 1400пм/В было получено для d  3nm (что соответствует 5монослоям).

Также высокие значения  (2) (более 1000пм/В) были получены идля тонких слоёв ( d  10нм ), и для некоторых толстых слоёв с d  70нм иd  170нм .Длятолщин13нм  d  50нм ,значениянелинейнойвосприимчивости намного меньше (  (2)  500пм/В). Полученные значениянелинейной восприимчивости выше, чем в работе [155] (150пм/В) и работе[156] (316пм/В), но при этом значительно ниже чем в работах [157] (5000 пм/В)и [158] (60000-80000пм/В).Такой разброс значений нелинейной восприимчивости в данныхэкспериментах можно объяснить, прежде всего, наличием политипизма втонких слоях MoS2.

В пределах глубины проникновения лазерного излучениямогут присутствовать оба политипа различной толщины, что может привестик уменьшению сигнала ВГ.Наибольшеезначениенелинейнойвосприимчивостибудетсоответствовать случаю, представленному на рисунке 26в. – однородная2пленка политипа 3R d  l pen. Меньший сигнал интенсивности ВГ даст случай,2показанный на рисунке 26а, где d  l pen. Минимальный сигнал интенсивностиВГ (или почти полное его отсутствие) соответствует схемам на рисунках 26би 26г, где присутствует только 2H политип различной толщины.

Характеристики

Список файлов диссертации