[논문 리뷰] Evolution of Raman spectra in Mo$_{1-x}$W$_x$Te$_2$ alloys

Sean M. Oliver, Ryan Beams외 10명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 31.

2D Materials and Applications참고 문헌 51인용 수 36

한 줄 요약

이 연구는 전체 조성 범위에서 Mo₁₋ₓWₓTe₂ 합금의 상 진화를 맵핑하기 위해 편광 해상도가 있는 라만 분광법, X선 회절(XRD), STEM 및 DFT를 결합한다. 2H, 1T′ 및 Td 상 영역을 명확히 규명하고, 불규칙성에 의해 유도된 격자 진동의 국소화 및 双공명 라만 과정을 밝혀내며, W 농도가 증가함에 따라 증가하는 격자 진동 상관 길이를 정량화한다. 이는 상 전이 메모리 및 토폴로지 전자소자 응용 분야에 기초를 마련한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전체 Mo₁₋ₓWₓTe₂ 조성 범위(x = 0에서 1까지)에서의 구조적 상 진화를 맵핑하는 것.
• 2H, 1T′ 및 Td 상과 관련된 라만 활성 격자 진동 모드를 규명하고 할당하는 것.
• 조성 불규칙성이 대칭성을 깨뜨리고 새로운 라만 과정을 활성화하는 역할을 이해하는 것.
• 라만 선형형 비대칭을 이용한 격자 진동 상관 길이(LC)를 2H-Mo₁₋ₓWₓTe₂의 불순성 상태에서 정량화하는 것.
• 라만 분광법을 이용한 비파괴적이고 신뢰할 수 있는 Mo₁₋ₓWₓTe₂ 합금의 상 식별 방법을 수립하는 것.

제안 방법

• x = 0에서 1까지의 범위에서 Mo₁₋ₓWₓTe₂ 박막에 대해 편광 해상도가 있는 라만 분광법을 수행하였다.
• 결정 구조 및 상 공존 상태를 확인하기 위해 X선 회절(XRD) 및 스캐닝 투과형 전자현미경(STEM)을 실시하였다.
• 격자 진동 모드 할당 및 라만 선택 규칙 예측을 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 유한한 격자 진동 상관 길이(LC)를 가진 라만 피크 선형형의 비대칭 피팅을 통해 라만 피크의 비대칭을 분석하였다.
• 특히 1T′-MoTe₂에서 관찰되는 128 cm⁻¹ 피크 분할과 같은 라만 스펙트럼 특징을 구조적 상과 대칭성 붕괴와 연관지어 분석하였다.
• 저W 농도 합금에서 ~202 cm⁻¹ 부근에 이중공명 라만 모드가 나타나며, 이는 조성 불규칙성에 의해 증가한 q≠0 산란에 기인한 것으로 규명되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mo₁₋ₓWₓTe₂의 전체 조성 범위에서 2H, 1T′ 및 Td 상의 고유한 라만 서명은 무엇인가?
• RQ2 Mo₁₋ₓWₓTe₂의 조성 불규칙성이 라만 선택 규칙에 미치는 영향과 이전에 금지되었던 모드의 활성화는 어떻게 설명되는가?
• RQ3 2H 상에서의 격자 진동 상관 길이가 W 농도에 따라 어떻게 변화하는가? 그리고 비대칭 라만 선형형에서 어떻게 추출되는가?
• RQ4 불규칙성은 2H-Mo₁₋ₓWₓTe₂ 합금에서 이중공명 라만 산란을 어떻게 강화하는가?
• RQ5 Mo₁₋ₓWₓTe₂ 시스템에서 단일상 2H, 1T′, Td 및 이중상 1T′+Td 영역 간의 상 경계는 어디에 위치하는가?

주요 결과

• 2H 상은 x ≤ 0.04에서 안정하고, 1T′ 상은 0.04 < x < 0.63 범위에서 안정하며, Td 상은 x ≥ 0.63에서 안정하며, 그 사이에는 1T′+Td 이중상 영역이 존재한다.
• 1T′ 상에서 관찰된 128 cm⁻¹ 라만 피크 분할은 정방형 Td 상으로의 구조 전이 없이도 역행성 대칭성 붕괴를 확인하는 데에 기여한다.
• 2H-Mo₁₋ₓWₓTe₂에서 격자 진동 상관 길이 LC는 W 농도가 증가함에 따라 증가하며, x = 0.29에서 약 15 nm에 도달한다. 이는 비대칭 라만 선형형 피팅을 통해 도출되었다.
• 0.02 ≤ x ≤ 0.09 범위에서 ~202 cm⁻¹ 부근에 이중공명 라만 모드가 나타나며, 이는 조성 불규칙성에 의해 증가한 q≠0 산란에 기인한 것으로 규명되었다.
• 불규칙성에 의해 유도된 이동 대칭성 및 역행성 대칭성 붕괴는 기존에 라만 금지였던 1T′-MoTe₂의 인프라레드 활성 모드를 활성화한다.
• 2H-Mo₁₋ₓWₓTe₂에서 A₁g 및 E₂g¹ 라만 모드의 주파수 및 피크 폭 변화는 x에 따라 미미하게 변화하며, 이는 2H 상에서 조성 의존성이 약하다는 것을 시사한다.