[论文解读] 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 36

一句话总结

本研究结合偏振分辨拉曼光谱、X射线衍射（XRD）、扫描透射电子显微镜（STEM）和密度泛函理论（DFT）计算，系统测绘了Mo₁₋ₓWₓTe₂合金在整个成分范围内的相演化行为。研究识别出2H、1T′和Td相的独立相区，揭示了由无序引起的声子局域化及双共振拉曼过程，并量化了声子相关长度随W含量增加而增大的趋势，为相变存储器和拓扑电子学应用奠定了基础。

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.

研究动机与目标

• 绘制Mo₁₋ₓWₓTe₂整个成分范围（x = 0 至 1）的结构相演化图谱。
• 识别并归属2H、1T′和Td相相关的拉曼活性声子模。
• 理解成分无序在破缺对称性及激活新拉曼过程中的作用。
• 利用声子局域化模型量化无序2H-Mo₁₋ₓWₓTe₂中的声子相关长度。
• 建立一种可靠、非破坏性的拉曼光谱方法，用于Mo₁₋ₓWₓTe₂合金的相识别。

提出的方法

• 对x = 0 至 1范围内Mo₁₋ₓWₓTe₂薄膜开展了偏振分辨拉曼光谱测量。
• 通过X射线衍射（XRD）和扫描透射电子显微镜（STEM）确认晶体结构及相共存行为。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算进行声子模归属并预测拉曼选择定则。
• 利用具有有限声子相关长度（LC）的声子局域化模型拟合非对称拉曼峰形。
• 将拉曼光谱特征与结构相及对称性破缺相关联，特别关注1T′-MoTe₂中128 cm⁻¹峰的分裂行为。
• 在低W含量合金中识别出约202 cm⁻¹处的双共振拉曼模式，归因于无序引起的q≠0散射增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Mo₁₋ₓWₓTe₂的整个成分范围内，2H、1T′和Td相的拉曼光谱特征分别是什么？
• RQ2 Mo₁₋ₓWₓTe₂中的成分无序如何影响拉曼选择定则并激活原本禁戒的模态？
• RQ3 2H相中声子相关长度与W含量的关系如何？其如何通过拉曼峰形不对称性提取？
• RQ4 无序如何增强2H-Mo₁₋ₓWₓTe₂合金中的双共振拉曼散射？
• RQ5 Mo₁₋ₓWₓTe₂体系中单相2H、1T′、Td与两相1T′+Td区域之间的相边界位于何处？

主要发现

• 2H相在x ≤ 0.04范围内稳定存在，1T′相在0.04 < x < 0.63范围内稳定，Td相在x ≥ 0.63范围内稳定，其间存在1T′+Td两相共存区域。
• 1T′相中128 cm⁻¹拉曼峰的分裂证实了反演对称性破缺，且无需经历正交相Td的结构转变即可实现。
• 通过非对称拉曼峰形拟合确定，2H-Mo₁₋ₓWₓTe₂中的声子相关长度LC随W含量增加而增大，在x = 0.29时达到约15 nm。
• 在0.02 ≤ x ≤ 0.09范围内出现约202 cm⁻¹的双共振拉曼模式，归因于成分无序引起的q≠0散射增强。
• 无序诱导的平动对称性与反演对称性破缺激活了1T′-MoTe₂中原本拉曼禁戒的红外活性模。
• 2H-Mo₁₋ₓWₓTe₂中的A₁g和E₂g¹拉曼模在x变化时仅表现出微小的频率与半高宽偏移，表明2H相中成分依赖性极弱。