[論文レビュー] Evolution of Raman spectra in Mo$_{1-x}$W$_x$Te$_2$ alloys

Sean M. Oliver, Ryan Beams+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2017

2D Materials and Applications参考文献 51被引用数 36

ひとこと要約

本研究は、全組成範囲にわたるMo₁₋ₓWₓTe₂合金における相の発達をマッピングするために、偏光分解能を有するラマン分光法、X線回折（XRD）、STEM、およびDFTを統合した。2H、1T′、およびTd相領域を明確に特定し、不純物に起因するフォノン閉じ込めと二重共鳴ラマン過程を明らかにした。さらに、W含有量に応じて増加するフォノン相関長を定量的に評価し、相変化メモリおよびトポロジカルエレクトロニクスへの応用基盤を提供した。

ABSTRACT

The structural polymorphism in transition metal dichalcogenides (TMDs) provides exciting opportunities for developing advanced electronics. For example, MoTe$_2$ crystallizes in the 2H semiconducting phase at ambient temperature and pressure, but transitions into the 1T$^\prime$ semimetallic phase at high temperatures. Alloying MoTe$_2$ with WTe$_2$ reduces the energy barrier between these two phases, while also allowing access to the T$_d$ Weyl semimetal phase. The MoWTe$_2$ alloy system is therefore promising for developing phase change memory technology. However, achieving this goal necessitates a detailed understanding of the phase composition in the MoTe$_2$-WTe$_2$ system. We combine polarization-resolved Raman spectroscopy with X-ray diffraction (XRD) and scanning transmission electron microscopy (STEM) to study MoWTe$_2$ alloys over the full compositional range x from 0 to 1. We identify Raman and XRD signatures characteristic of the 2H, 1T$^\prime$, and T$_d$ structural phases that agree with density-functional theory (DFT) calculations, and use them to identify phase fields in the MoTe$_2$-WTe$_2$ system, including single-phase 2H, 1T$^\prime$, and T$_d$ regions, as well as a two-phase 1T$^\prime$ + T$_d$ region. Disorder arising from compositional fluctuations in MoWTe$_2$ alloys breaks inversion and translational symmetry, leading to the activation of an infrared 1T$^\prime$-MoTe$_2$ mode and the enhancement of a double-resonance Raman process in 2H-MoWTe$_2$ alloys. Compositional fluctuations limit the phonon correlation length, which we estimate by fitting the observed asymmetric Raman lineshapes with a phonon confinement model. These observations reveal the important role of disorder in MoWTe$_2$ alloys, clarify the structural phase boundaries, and provide a foundation for future explorations of phase transitions and electronic phenomena in this system.

研究の動機と目的

• 全組成範囲（x = 0から1）におけるMo₁₋ₓWₓTe₂の構造的相の発達をマッピングすること。
• 2H、1T′、Td相に起因するラマン活性フォノンモードを特定および割り当てる。
• 組成不純物が対称性を破ることによるラマン選択則への影響を理解すること。
• フォノン閉じ込めモデルを用いて、不純物を含む2H-Mo₁₋ₓWₓTe₂におけるフォノン相関長を定量すること。
• ラマン分光法を用いた非破壊的で信頼性の高いMo₁₋ₓWₓTe₂合金の相同定法を確立すること。

提案手法

• x = 0から1の範囲で、Mo₁₋ₓWₓTe₂薄膜に対して偏光分解能ラマン分光法を実施した。
• 結晶構造および相の共存を確認するため、X線回折（XRD）および走査型透過電子顕微鏡（STEM）を実施した。
• フォノンモードの割り当ておよびラマン選択則の予測のため、密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• 有限なフォノン相関長（LC）を有するフォノン閉じ込めモデルを用いて、非対称なラマンピークラインシープをフィッティングした。
• ラマンスペクトルの特徴と構造的相および対称性の破壊（特に1T′-MoTe₂における128 cm⁻¹ピークの分裂）を関連づけた。
• 低W含有量合金では、不純物に起因するq≠0散乱の増強により、約202 cm⁻¹に二重共鳴ラマンモードが観測された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全組成範囲におけるMo₁₋ₓWₓTe₂における2H、1T′、Td相の明確なラマンシグネチャは何か？
• RQ2 Mo₁₋ₓWₓTe₂における組成不純物がラマン選択則に与える影響および、もともと禁止であったモードの活性化はどのように起こるか？
• RQ3 2H相におけるフォノン相関長はW含有量に依存するか？また、ラマンラインシープの非対称性からどのように抽出されるか？
• RQ4 不純物が2H-Mo₁₋ₓWₓTe₂合金における二重共鳴ラマン散乱をどのように増強するか？
• RQ5 Mo₁₋ₓWₓTe₂系における単相2H、1T′、Tdおよび二相1T′+Td領域の相境界はどこにあるか？

主な発見

• 2H相はx ≤ 0.04で安定、1T′相は0.04 < x < 0.63で安定、Td相はx ≥ 0.63で安定であり、その間には1T′+Td二相領域が存在する。
• 1T′相における128 cm⁻¹ラマンピークの分裂は、正方晶Td相への構造的転移を必要とせず、逆性対称性の破壊を明確に示している。
• 2H-Mo₁₋ₓWₓTe₂におけるフォノン相関長LCはW含有量に応じて増加し、x = 0.29で約15 nmに達する。これは非対称ラマンラインシープのフィッティングにより決定された。
• 0.02 ≤ x ≤ 0.09の範囲で、約202 cm⁻¹に二重共鳴ラマンモードが出現し、組成不純物に起因するq≠0散乱の増強に起因するとされた。
• 不純物に起因する並進対称性および逆性対称性の破壊により、元々ラマン禁止であったモードが1T′-MoTe₂で活性化された。
• 2H-Mo₁₋ₓWₓTe₂におけるA₁gおよびE₂g¹ラマンモードは、xに伴い周波数および半値幅にわずかな変化しか示さず、2H相における組成依存性が弱いことを示している。