[논문 리뷰] Magneto-excitons in large area CVD grown monolayer MoS$_{2}$ and MoSe$_{2}$ on sapphire

Anatolie Mitioglu, Krzysztof Gałkowski외 6명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2016. 02. 03.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 산사태 기반으로 대면적 CVD 성장된 단일층 MoS₂ 및 MoSe₂에서 자성광학 스펙트로스코피를 이용해 계곡 제이만 분할을 조사한다. 계곡 g-요인 약 -4.5를 발견하여 내재된 응력(~0.2%)의 영향이 미미함을 시사하며, 전자적 성질이 기계적 분리된 표본과 구분되지 않음을 확인하여 CVD 성장 TMD가 스케일러블 계곡 전자소자에 적합함을 뒷받침한다.

ABSTRACT

Magneto transmission spectroscopy was employed to study the valley Zeeman effect in large-area monolayer MoS$_{2}$ and MoSe$_{2}$. The extracted values of the valley g-factors for both A- and B-exciton were found be similar with $g_v \simeq -4.5$. The samples are expected to be strained due to the CVD growth on sapphire at high temperature ($700^\circ$C). However, the estimated strain, which is maximum at low temperature, is only $\simeq 0.2\%$. Theoretical considerations suggest that the strain is too small to significantly influence the electronic properties. This is confirmed by the measured value of valley g-factor, and the measured temperature dependence of the band gap, which are almost identical for CVD and mechanically exfoliated MoS$_2$.

연구 동기 및 목표

• 대면적 CVD 성장 단일층 MoS₂ 및 MoSe₂가 사파이어 기반에서 계곡 제이만 효과를 조사하기 위해.
• 고온 CVD 성장 중 격자 불일치로 인한 응력이 전자적 성질을 유의미하게 변화시키는지 확인하기 위해.
• 기계적 분리된 표본과 비교하여 CVD 성장 TMD의 계곡 g-요인과 온도 의존성 밴드 갭 진화를 분석하기 위해.
• 전이 금속 디칼코제나이드에서 응력이 계곡 자화모멘트와 효소성 성질을 어떻게 수정하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 원형 편광 빛(σ⁺, σ⁻)을 사용해 극성 분해 스펙트로스코피를 수행하여 ±K 계곡 전이를 선택적으로 탐측한다.
• 최대 65 T의 자기장을 적용하여 효소성 전이 분할이 자기장에 선형적으로 스케일링됨을 측정함으로써 계곡 g-요인을 추출한다.
• O’Donnell과 Chen의 단일 진동자 모델을 사용해 MoS₂의 온도 의존성 밴드 갭 진화를 피팅하며, 격자 진동과 효소 결합 에너지를 포함한다.
• MoS₂와 사파이어 간 열수축 차이를 기반으로 응력을 추정하며, 밴드 갭에 대해 70 meV/%의 응력 이동을 가정한다.
• 실험적 g-요인과 밴드 갭 온도 의존성은 이론 예측 및 SiO₂/Si 기반 기계적 분리 MoS₂ 데이터와 비교한다.
• DFT 계산을 통해 계곡 자화모멘트에 대한 세포 간 기여를 평가하였지만, 이는 실험 결과와 일치하지 않았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고자기장 조건에서 CVD 성장 단일층 MoS₂ 및 MoSe₂의 계곡 g-요인 값은 얼마인가?
• RQ2 사파이어 기반과의 격자 불일치로 인한 응력이 CVD 성장 TMD의 계곡 제이만 분할에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 CVD 성장 MoS₂의 A-효소성 밴드 갭 온도 의존성은 SiO₂/Si 기반 기계적 분리 MoS₂와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 계곡 g-요인 값은 응력과 세포 간 기여를 포함한 이론 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ5 CVD 성장 TMD의 전자적 거동이 기계적 분리 TMD와 충분히 유사하여 스케일러블 계곡 전자소자 응용에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• MoS₂의 A-효소성에 대해 저온에서 계곡 g-요인은 gᵥ ≈ -4.5 ± 0.1이며, B-효소성은 gᵥ ≈ -4.3 ± 0.1이다.
• MoSe₂의 경우 A-효소성 계곡 g-요인은 저온에서 gᵥ = -4.4 ± 0.1로 나타나 물질 간 일관성이 있음을 시사한다.
• 계곡 분할은 2 K에서 120 K까지 거의 일정하게 유지되어 계곡 분할의 온도 의존성이 약함을 나타낸다.
• CVD 성장 MoS₂의 추정 응력은 2 K에서 약 0.2%이며, 밴드 갭 측정 결과에 따라 이는 전자적 성질에 미미한 영향을 미친다.
• CVD MoS₂의 A-효소성 밴드 갭 온도 의존성은 SiO₂/Si 기반 기계적 분리 MoS₂와 일치하며, O’Donnell과 Chen 모델을 사용한 피팅 결과 E(0) = 1.948 eV 및 ⟨ħω⟩ = 24.25 meV를 도출한다.
• 기대되는 응력에 의한 밴드 갭 이동(~8 meV)은 온도 변화에 따른 관측된 70 meV의 변화보다 훨씬 작으며, 이는 응력이 갭 진화의 주요 요인임을 부정한다.