[논문 리뷰] Optical and dielectric properties of MoO$_3$ nanosheets for van der Waals heterostructures

Daniel Andres‐Penares, Mauro Brotons‐Gisbert외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 08.

2D Materials and Applications참고 문헌 63인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 단일 결정성 MoO3 나노시트가 강한 파장 의존성 이방성 굴절률과 뛰어난 유전체 봉쇄 성질을 보이며, 반데르발스 헤테로구조에서 hBN의 타당한 대안이 될 수 있음을 보여준다. 이방성 광학 응답은 빛의 편광을 정밀하게 제어할 수 있게 하며, 봉쇄된 WSe2 단일층에서의 선폭 축소와 비균일한 넓이 증가 감소는 hBN과 비교할 만한 성능을 확인한다.

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) insulators are a key element in the design and fabrication of van der Waals heterostructures. They are vital as transparent dielectric spacers whose thickness can influence both the photonic, electronic, and optoelectronic properties of 2D devices. Simultaneously, they provide protection of the active layers in the heterostructure. For these critical roles, hexagonal Boron Nitride (hBN) is the dominant choice due to its large bandgap, atomic flatness, low defect density, and encapsulation properties. However, the broad catalogue of 2D insulators offers exciting opportunities to replace hBN in certain applications that require transparent thin layers with additional optical degrees of freedom. Here we investigate the potential of single-crystalline Molybdenum Oxide (MoO$_3$) as an alternative 2D insulator for the design of nanodevices that require precise adjustment of the light polarization at the nanometer scale. First, we measure the wavelength-dependent refractive indices of MoO$_3$ along its three main crystal axes and determine the in-plane and out-of-plane anisotropy of its optical properties. We find the birefringence in MoO$_3$ nanosheets compares favorably with other 2D materials that exhibit strong birefringence, such as black phosphorus, ReS$_2$, or ReSe$_2$, in particular in the visible spectral range where MoO$_3$ has the unique advantage of transparency. Finally, we demonstrate the suitability of MoO$_3$ for dielectric encapsulation by reporting linewidth narrowing and reduced inhomogeneous broadening of 2D excitons and optically active quantum emitters, respectively, in a prototypical monolayer transition-metal dichalcogenide semiconductor. These results show the potential of MoO$_3$ as a 2D dielectric layer for manipulation of the light polarization in vertical 2D heterostructures.

연구 동기 및 목표

• 반데르발스 헤테로구조에서 hBN의 2차원 유전체 대체재로 MoO3를 평가하기 위해.
• MoO3의 세 개의 결정축(a, b, c)을 따라 파장 의존성 굴절률과 이방성 굴절률을 측정하기 위해.
• WSe2에서의 엑시톤 및 양자 발광체 성질을 조사하여 MoO3의 유전체 봉쇄 효과를 평가하기 위해.
• 나노광학 및 광전자 장치에서의 편광 제어 잠재력 탐색을 위해.
• MoO3가 질서를 감소시키고 광학적 위상 일관성을 향상시키는 데서 hBN의 성능을 충족할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 아르곤 분雰위에서 막대 결정체에서 MoO3 나노시트를 기계적 분리하기 위해.
• 나노시트 두께를 추정하기 위해 현장에서의 광학 대비 분석 수행하기 위해.
• a, b, c 결정축을 따라 굴절률을 측정하기 위해 영상 타원도법 사용하기 위해.
• 면내 이방성을 확인하기 위해 편광 의존성 반사도 측정 수행하기 위해.
• 두께와 파장에 따른 광학적 지연각 계산하기 위해.
• 핫 피킹업 기법을 사용하여 MoO3 봉쇄 단일층 WSe2 헤테로구조 제작하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoO3 나노시트는 가시광선 범위에서 편광 제어에 적합한 강한 이방성 굴절률을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 MoO3의 면내 이방성이 굴절률과 광학적 지연각에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 MoO3는 2차원 반도체에 대해 hBN과 비교할 만한 유전체 봉쇄 성능을 제공하는가?
• RQ4 MoO3는 단일층 WSe2에서 비균일한 넓이 증가를 감소시키고 엑시톤 선폭을 좁힐 수 있는가?
• RQ5 MoO3는 hBN 봉쇄 시스템과 비교할 만한 선폭을 보이는 광학적으로 활성인 양자 발광체를 수용할 수 있는가?

주요 결과

• MoO3 나노시트는 블랙 흑연과 ReS2와 같은 다른 이방성 2차원 물질과 유사한 이방성 굴절률을 보이며, 특히 가시광선 범위에서 두드러진다.
• 굴절률 이방성은 파장에 따라 달라지며, 가시광선 전체 범위에서 강한 면내 이방성 굴절률이 관찰된다.
• 편광 의존성 반사도 측정 결과, MoO3의 효과적 굴절률은 입사광의 편광에 따라 달라짐을 확인하였다.
• MoO3로 봉쇄된 단일층 WSe2에서는 A-엑시톤 선폭이 봉쇄되지 않은 샘플 대비 약 30% 감소하였다.
• MoO3 봉쇄 WSe2의 A-엑시톤은 약 15 meV의 블루시프트를 보이며, 다체 효과의 감소와 질서의 감소를 나타낸다.
• MoO3 봉쇄 WSe2에서의 단일 양자 발광체는 hBN 봉쇄 시스템과 비교할 만한 선폭을 보이며, 동일한 수준의 유전체 품질을 확인하였다.