[論文レビュー] A Se vacancy induced localized Raman mode in two-dimensional MoSe2 grown by CVD

Shudong Zhao, Meilin Lu+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2019

2D Materials and Applications被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、化学気相成長法で成長したMoSe₂に見られる以前未解明であった約250 cm⁻¹のラマンピークが、セレン空孔（VSe）に起因する局在モードであることを特定した。偏光ラマン分光法と密度汎関数理論（DFT）を用いて、単一のSe空孔がA1g様の局在振動モードを生成することを実証した。ピーク強度は材料の品質を定量的に示す指標となり、2次元遷移金属ジ chalcogenides における chalcogenide 空孔の工学的制御およびプローブの道筋を示した。

ABSTRACT

Defects play a significant role in optical properties of semiconducting two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDCs). In ultra-thin MoSe2, a remarkable feature at ~250 cm-1 in Raman spectra is ascribed to be a defect-related mode. Recent attempts failed to explain the origin of this peak, leaving it being a mystery. Here in this work, we demonstrate that this peak is a Se vacancy induced defect mode. Heat effect and hydrogen etching are two main factors to introduce Se vacancies in CVD process of growing MoSe2. A phonon confinement model can well explain the behaviors of intrinsic Raman modes. Density functional theory (DFT) calculation reveals that single Se vacancy (VSe) is responsible for the appearance of Raman peak at ~250 cm-1 and this mode is an A1g-like localized mode which is also confirmed by polarized Raman scattering experiment. The relative strength of this mode can be a characterization of the quality of 2D MoSe2. This work may offer a simple method to tailor chalcogenide vacancies in 2D TMDCs and provide a way to study their vibrational properties.

研究の動機と目的

• 超薄膜MoSe₂に見られる、明確な起源を有しないまま長年未解決であった約250 cm⁻¹の顕著なラマンピークの起源を解明すること。
• 特にセレン空孔を含む欠际が、二次元MoSe₂の振動および光学的性質に与える影響を調査すること。
• CVD法で成長したMoSe₂薄膜の品質と、欠际誘起ラマンモードの強度との相関関係を確立すること。
• 2次元遷移金属ジ chalcogenides における chalcogenide 空孔の調整およびその振動的特徴のプローブ手法を提供すること。

提案手法

• CVD法で成長したMoSe₂における約250 cm⁻¹のラマンモードの対称性および空間的局在性を分析するため、偏光ラマン散乱測定を実施した。
• MoSe₂における単一のセレン空孔（VSe）の振動モードをモデル化するため、密度汎関数理論（DFT）計算を実行した。
• 超薄膜MoSe₂における固有のラマンモードの挙動を記述するため、フォノン封じ込めモデルを適用した。
• CVD成長中に加熱処理および水素エッチングを適用して、Se空孔を体系的に導入し、その濃度とラマンピーク強度との相関を調査した。
• 実験的ラマンスペクトルとDFT予測の振動モードを比較することで、欠际誘起モードのA1g様の対称性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CVD法で成長したMoSe₂に見られる、説明がつかなかった顕著なラマンピーク（約250 cm⁻¹）の起源は何か？
• RQ2 セレン空孔は、二次元MoSe₂の振動的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 約250 cm⁻¹のラマンピークの強度は、MoSe₂の材料品質を定量的に示す指標として用いられるか？
• RQ4 約250 cm⁻¹に観察された欠际誘起振動モードの対称性および局在性は何か？

主な発見

• 約250 cm⁻¹のラマンピークは、明確に単一のセレン空孔（VSe）に起因する局在振動モードであると特定された。
• 偏光ラマン散乱実験により、強い偏光依存性が観察されたことから、欠际モードはA1g様の対称性を示していることが確認された。
• 密度汎関数理論（DFT）計算により、単一のVSeが約250 cm⁻¹に局在振動モードを生成することが確認され、実験的観察と一致した。
• 約250 cm⁻¹ピークの相対的強度は、Se空孔濃度と強く相関しており、MoSe₂の品質を示す定量的指標として有効である。
• CVD成長中の加熱処理および水素エッチングが、Se空孔形成の主な要因であると特定された。