[논문 리뷰] Anomalous Frequency Trends in MoS2 Thin Films Attributed to Surface Effects

Xin Luo, Yanyuan Zhao외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 29.

Machine Learning in Materials Science인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 소수층 MoS2 박막에서 관측된 이국적인 청색 이동 현상에 대해 표면 효과가 원인임을 설명한다. 표면에서의 배위 수 감소로 인해 Mo-S 힘 상수가 증가하며, 이는 표면 효과가 두께에 따른 연성 감소보다 지배적임을 보여준다. 1차 원리 계산과 힘 상수 모델을 사용하여 저자들은 표면 효과가 지배적이며, 이로 인해 면내 진동 모드에서는 청색 이동이 발생하고, 면외 진동 모드 A1g에서는 적색 이동이 발생함을 보여주며, 2차원 물질의 진동자성에 오랫동안 지속된 모순을 해결한다.

ABSTRACT

The layered dichalcogenide MoS2 has many unique physical properties in low dimensions. Recent experimental Raman spectroscopies report an anomalous blue shift of the in-plane E2g1 mode with decreasing thickness, a trend that is not understood. Here, we combine experimental Raman scattering and theoretical studies to clarify and explain this trend. Special attention is given to understanding the surface effect on Raman frequencies by using a force constants model based on first-principles calculations. Surface effects refer to the larger Mo-S force constants at the surface of thin film MoS2, which results from a loss of neighbours in adjacent MoS2 layers. Without surface effects, the frequencies of both out-of-plane A1g and in-plane E2g1 modes decrease with decreasing thickness. However, the E2g1 mode blue shifts while the A1g mode red shifts once the surface effect is included, in agreement with the experiment. Our results show that competition between the thickness effect and the surface effect determines the mechanical properties of two-dimensional MoS2, which we believe applies to other layered materials.

연구 동기 및 목표

• 두께 감소에 따라 MoS2의 E2g1 라만 모드에서 관측된 이국적인 청색 이동 현상을 해소하기 위해.
• 소수층 MoS2에서 진동자성 주파수 변화에 영향을 미치는 표면 효과의 역할을 조사하기 위해.
• 표면에 의해 유도된 힘 상수 변화가 기대되는 연성 경향에서의 편차를 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• 두께 감소와 표면 효과가 2차원 디chalcoogen화합물의 기계적 및 진동적 성질에 미치는 영향의 경쟁 관계를 명확히 하기 위해.
• 표면 효과의 이해를 다른 다층 2차원 물질로 확장하기 위해.

제안 방법

• MoS2 단층 및 다층에서 힘 상수를 계산하기 위해 1차 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• DFT 결과를 바탕으로 라만 주파수를 두께의 함수로 시뮬레이션하기 위한 힘 상수 모델을 개발하였다.
• 박막의 상부 및 하부 표면에서의 배치 수 감소를 고려하여 표면 효과를 명시적으로 모델링하였다.
• 표면 효과 유무에 따라 시뮬레이션된 라만 주파수를 비교하여 그 기여도를 분리하였다.
• 모델을 사용하여 다양한 두께에서 면내 E2g1 및 면외 A1g 모드의 주파수 변화 경향을 예측하였다.
• 이론적 예측을 문헌 자료의 실험적 라만 분광법 데이터와 비교하여 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoS2의 E2g1 라만 모드가 두께 감소에 따라 예상되는 연성 감소와는 반대로 청색 이동을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ2 소수층 MoS2의 표면 원자가 효과적 힘 상수와 진동자성 주파수에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 라만 주파수 경향에 대해 두께 감소와 표면 효과 중 어느 것이 상대적으로 더 큰 기여를 하는가?
• RQ4 1차 원리 계산 기반의 힘 상수 모델이 이국적인 실험적 행동을 재현할 수 있는가?
• RQ5 2차원 MoS2에서 표면 효과가 부드러운 연성에 비해 어느 정도 지배적인가?

주요 결과

• E2g1 모드는 표면에서 증가한 Mo-S 힘 상수로 인해 두께 감소에 따라 청색 이동을 보이며, 이는 감소된 차원성에 따른 예상되는 연성 감소를 상쇄한다.
• 표면 효과를 고려할 경우 A1g 모드는 두께 감소에 따라 적색 이동을 보이며, 실험 관측과 일치한다.
• 표면 효과가 없을 경우 E2g1 및 A1g 모드 모두 두께 감소에 따라 적색 이동을 보이지만, 이는 실험 데이터와 정면으로 배치된다.
• 소수층 MoS2에서 표면 효과가 기계적 반응을 지배하여 단순한 두께 스케일링이 불가능한 비단조화적인 주파수 경향을 초래한다.
• 두께 감소에 따른 연성 감소와 표면 경화 효과 사이의 경쟁이 2차원 MoS2에서의 이국적인 라만 행동을 설명한다.
• 이 연구 결과는 표면 효과가 다른 다층 2차원 물질의 진동자성 주파수에 영향을 미치는 일반적인 메커니즘임을 시사한다.