[論文レビュー] Photoluminescence and Raman investigation of stability of InSe and GaSe thin films

Osvaldo Del Pozo-Zamudio, S. E. Schwarz+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2015

Solid-state spectroscopy and crystallography被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、マイクロフォトルミネッセンス（μPL）およびラマン分光法を用いて、機械的エキスパンションで得たInSeおよびGaSe薄膜の環境的安定性を調査した。GaSe薄膜は空気中で急速に劣化し、平均して0.14 ± 0.05 nm/時間の腐食速度を示し、数日以内に顕著なPLおよびラマン信号の損失を示した。一方、InSe薄膜は100時間経過後でも劣化が著しくなかった。SiO₂またはSi₃N₄によるキャップ層による封止処理は、劣化を2桁以上低減させ、薄膜の寿命を数か月にまで延長した。

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$_y$.

研究の動機と目的

• 標準的大気条件下におけるInSeおよびGaSe薄膜の環境的安定性を評価すること。
• 時間経過に伴うこれらの材料におけるフォトルミネッセンス（PL）およびラマン信号の劣化速度を定量化すること。
• 酸化物および窒化ケイ酸膜（SiO₂、Si₃N₄）による誘電体封止処理が環境劣化を抑制する効果を評価すること。
• van der Waalsヘテロ構造への応用を想定した場合に、InSeおよびGaSeの相対的安定性を比較すること。

提案手法

• SiO₂熱oxidizedシリコン基板上に、塊体InSeおよびGaSe結晶を機械的エキスパンションにより薄膜化（9–75 nm）した。
• 空気中で時間経過に伴う光学的性質の変化をモニタリングするため、イン・サイトマイクロフォトルミネッセンス（μPL）およびマイクロラマン分光法を用いた。
• 過去の研究で得られた厚さ依存性PL測定結果を用い、PL強度の減衰を有効厚さの減少と一致させることで、腐食速度を推定した。
• 安定性試験のため、ガラス基板上に10 nmのSi₃N₄またはSiO₂キャップ層をプラズマ増強化学気相蒸着法（PECVD）で堆積した。
• 熱的影響を最小限に抑えるために、10 Kでの時間分解PLおよびラマン測定を実施し、劣化要因を環境的要因に限定した。
• 異なる厚さの10個のGaSe薄膜を用いた統計的解析により、平均腐食速度（0.14 ± 0.05 nm/時間）とその不確実性を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 InSeおよびGaSe薄膜が大気中で露出された場合、フォトルミネッセンス強度は時間経過とともにどのように変化するか？
• RQ2 大気条件下におけるGaSe薄膜の表面腐食速度はどの程度で、光学分光法を用いてどのように定量化できるか？
• RQ3 同じ環境条件下で、なぜInSeはGaSeほど劣化が著しくないのか？
• RQ4 酸化ケイ酸（SiO₂）または窒化ケイ酸（Si₃N₄）による誘電体封止処理が、GaSe薄膜の劣化をどの程度抑制できるか？
• RQ5 封止処理を施したGaSe薄膜の有効寿命は、封止処理なしの状態と比較してどの程度延びるか？

主な発見

• 10–25 nmおよび48–75 nmの厚さのGaSe薄膜では、それぞれ24–72時間の露出後にPL強度が初期値の50%未満に低下した。
• 24 nmのGaSe薄膜では、空気中露出1週間でラマン信号が10分の1にまで減少し、顕著な構造的劣化が示された。
• 大気中によるGaSe薄膜の平均腐食速度は0.14 ± 0.05 nm/時間であり、表面酸化および水解反応に起因するとされた。
• 一方、InSe薄膜は100時間の空気中露出後でもPL強度の低下が20%未満にとどまり、優れた固有の安定性を示した。
• GaSe薄膜に10 nmのSiO₂またはSi₃N₄を封止処理することで、劣化が2桁以上低減され、薄膜寿命が数か月にまで延長された。
• 封止処理を施したGaSe薄膜のPLスペクトルは、1か月経過後でも強度やピーク形状の変化がほとんど認められず、環境劣化からの有効な保護が確認された。