[논문 리뷰] Photoluminescence and Raman investigation of stability of InSe and GaSe thin films

Osvaldo Del Pozo-Zamudio, S. E. Schwarz외 11명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 18.

Solid-state spectroscopy and crystallography인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 박막 InSe 및 GaSe의 환경적 안정성을 마이크로광발광(μPL) 및 라만 스펙트로스코피를 이용해 조사한다. GaSe 박막은 공기 중에서 빠르게 분해되며, 평균 부식 속도는 시간당 0.14 ± 0.05 nm로, 며칠 내로 광발광 및 라만 신호가 크게 감소한다. 반면 InSe 박막은 100시간 동안 거의 분해되지 않는다. SiO₂ 또는 Si₃N₄로 캡슐화하면 부식 속도가 100배 이상 감소하여 박막 수명이 수개월로 연장된다.

ABSTRACT

Layered III-chalcogenide compounds belong to a variety of layered crystals that can be implemented in van der Waals heterostructures. Here we report an optical study of the stability of two of these compounds: indium selenide (InSe) and gallium selenide (GaSe). Micro-photoluminescence (PL) and Raman spectroscopy are used to determine how the properties of thin films of these materials change when they are exposed to air at room temperature. We find that in GaSe films, PL signal decreases on average below 50% over 24 (72) hours of exposure for films with thicknesses 10-25 (48-75) nm. In contrast, weak PL decrease of less than 20% is observed for InSe nm films after exposure of 100 hours. Similar trends are observed in Raman spectroscopy: within a week, the Raman signal decreases by a factor of 10 for a 24 nm thick GaSe, whereas no decrease was found for a 16 nm InSe film. We estimate that when exposed to air, the layers adjacent to the GaSe film surface degrade and become non-luminescent with a rate of 0.14$\pm$0.05 nm/hour. We show that the life-time of the GaSe films can be increased by up to two orders of magnitude (to several months) by encapsulation in dielectric materials such as SiO$_2$ or Si$_x$N$_y$.

연구 동기 및 목표

• 표준 대기 조건 하에서 InSe 및 GaSe 박막의 환경적 안정성을 평가하기 위해.
• 시간이 지남에 따라 광발광(PL) 및 라만 신호의 분해 속도를 정량화하기 위해.
• dielectric 캡슐화(SiO₂, Si₃N₄)가 환경적 분해를 억제하는 데 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.
• 반데르발스 헤테로구조 응용을 위한 InSe 및 GaSe의 상대적 안정성 비교하기 위해.

제안 방법

• 열산화 실리콘 기판에 기계적 분리 방법을 사용해 박막 InSe 및 GaSe 결정체를 얻어 두께 9–75 nm의 박막을 제작한다.
• 공기 중에서 시간이 지남에 따라 광학적 성질 변화를 모니터링하기 위해 현장에서의 마이크로광발광(μPL) 및 마이크로라만 스펙트로스코피를 수행한다.
• 이전 연구에서 얻은 두께 의존성 PL 측정 결과를 활용해, PL 강도 감쇠를 효과적 두께 감소와 일치시켜 부식 속도를 추정한다.
• 안정성 시험을 위해 플라즈마 증착 화학 기상 방법(PECVD)을 사용해 GaSe 박막에 10 nm 두께의 Si₃N₄ 또는 SiO₂ 캡 레이어를 증착한다.
• 열적 영향을 최소화하고 환경 노출에 의한 분해를 고립시키기 위해 10 K에서 시간 분해 광발광 및 라만 측정을 수행한다.
• 다양한 두께의 10개의 GaSe 박막에 대한 통계 분석을 통해 평균 부식 속도와 불확도(0.14 ± 0.05 nm/시간)를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환경 공기 중에 노출되었을 때 InSe 및 GaSe 박막의 광발광 강도는 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 GaSe 박막의 표면 부식 속도는 환경 조건 하에서 얼마이며, 광학 스펙트로스코피를 통해 어떻게 정량화되는가?
• RQ3 동일한 환경 노출 조건에서 InSe가 GaSe보다 현저히 낮은 분해를 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ4 dielectric 캡슐화(SiO₂ 또는 Si₃N₄)는 GaSe 박막의 분해를 얼마나 억제하는가?
• RQ5 캡슐화된 GaSe 박막의 효과적 수명은 캡슐화되지 않은 박막과 비교해 얼마나 연장되는가?

주요 결과

• 10–25 nm 두께의 GaSe 박막은 24–72시간 내로 광발광 강도가 初기 값의 50% 이하로 감소하며, 48–75 nm 두께의 박막은 동일한 기간 내에 유사한 감소를 보인다.
• 24 nm 두께의 GaSe 박막은 공기 중 노출 1주일 내로 라만 신호 강도가 10배 감소하여 구조적 분해가 심각하게 발생했음을 시사한다.
• 환경 노출에 의한 GaSe 박막의 평균 부식 속도는 0.14 ± 0.05 nm/시간이며, 이는 표면 산화 및 수해리에 기인한다.
• 반면 InSe 박막은 공기 중 노출 100시간 후에도 광발광 강도 감소가 20% 미만으로 나타나 내재된 안정성이 뛰어나다는 것을 시사한다.
• GaSe 박막을 10 nm 두께의 SiO₂ 또는 Si₃N₄로 캡슐화하면 부식 속도가 100배 이상 감소하여 박막 수명이 수개월로 연장된다.
• 캡슐화된 GaSe 박막의 광발광 스펙트럼은 1개월 후에도 강도나 피크 형상에 거의 변화가 없어, 환경 분해로부터 효과적인 보호가 이루어졌음을 확인한다.