[论文解读] A Comprehensive Spectral Analysis of Multiphonon Resonant Raman Scattering in 2H-MoS2

Tsachi Livneh, Jonathan E. Spanier|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2014

2D Materials and Applications被引用 3

一句话总结

本研究对2H-MoS2中的多声子共振拉曼散射进行了全面的光谱分析，通过基于对称性的归属和在1.96 eV激发下、95 K低温条件下的测量，识别出体相和单层MoS2中高达五阶的拉曼过程。重新分配了约460 cm⁻¹处的2LA带，其低频部分归因于K点与M点之间的范霍夫奇点，高频部分则归因于M点处的LA和LA'声子，主要贡献来自四种声子：A1g(M)、E12g(M2)、E22g(M1)(TA'(M))和E22g(M2)(LA'(M))。

ABSTRACT

We present a comprehensive multiphonon Raman and complementary infrared analysis for bulk and monolayer MoS2.For the bulk the analysis consists of symmetry assignment from which we obtain a broad set of allowed second order transitions at the high symmetry M,K and gamma Brillouin zone points. The attribution of about 80 transitions of up to fifth order Raman processes are proposed in the low temperature(95K)resonant Raman spectrum measured with the excitation energy of 1.96 eV,which is slightly shifted from the A exciton. We propose that the main contributions come from four phonons:A1g(M),E12g(M2),E22g(M1)(TA'(M))and E22g (M2)(LA'(M)). The last three are single degenerate phonons at M with an origin of the E12g(gamma)and E22g(gamma)phonons. Among the four phonons, we identify in the resonant Raman spectra all(but one) of the second order overtones,combination and difference bands and many of the third order bands. Consistent with the expectation that at the M point only combinations with the same inversion symmetry (g or u)are Raman allowed, the contribution of combinations with the LA(M)phonon can not be considered with the above four phonons. Although minor,contribution from K point and possibly gamma point phonons are also evident. The 2LA band,measured at ~460 cm-1 is reassigned.Supported by the striking similarity between this band, measured under off resonant conditions, and recently published two phonon density of states, we propose that the lower part of the band,previously attributed to 2LA(M),is due to a van Hove singularity between K and M. The higher part,previously attributed exclusively to the A2u(gamma)phonon,is mostly due to the LA and LA' phonons at M. For the monolayer MoS2, the second order phonon processes from M and gamma Brillouin zone points are also analyzed and are discussed within similar framework to that of the bulk.

研究动机与目标

• 通过群论和对称性分析，系统地归属体相和单层2H-MoS2中的二阶及更高阶拉曼跃迁。
• 解决长期以来在MoS2中对约460 cm⁻¹处2LA带归属的模糊性，特别是在非共振条件下的归属问题。
• 阐明多声子拉曼特征的起源，特别是涉及M、K和γ点声子的组合。
• 建立一个一致的框架，用于解释过渡金属二硫属化物中的共振和非共振多声子拉曼光谱。
• 验证范霍夫奇点和声子耦合在塑造MoS2中拉曼态密度中的作用。

提出的方法

• 在95 K低温下进行1.96 eV激发能量的低温共振拉曼光谱测量，以增强对多声子过程的灵敏度。
• 应用群论和点群对称性（D6h）来归属M、K和γ点处二阶及更高阶拉曼跃迁的选择定则。
• 将实验拉曼光谱与理论双声子态密度相关联，以区分声子组合与奇点。
• 使用互补的红外光谱法交叉验证声子模式归属。
• 分析声子组合的对称性，以确定拉曼活性，重点关注M点处的g/u选择定则。
• 比较体相和单层MoS2的实验光谱，以识别多声子散射机制中的异同。

实验结果

研究问题

• RQ1 在M、K和γ点处，体相2H-MoS2中对称性允许的二阶及更高阶拉曼跃迁是什么？
• RQ2 在MoS2中，约460 cm⁻¹处的2LA带的真实起源是什么，此前曾归因于2LA(M)和A2u(γ)声子？
• RQ3 在对称性约束下，涉及LA(M)和LA'(M)声子的声子组合如何贡献于共振拉曼光谱？
• RQ4 K点与M点之间的范霍夫奇点在多大程度上影响了观测到的拉曼特征？
• RQ5 单层MoS2中的多声子拉曼过程与体相相比如何，选择定则和强度的关键差异是什么？

主要发现

• 在体相MoS2的低温共振拉曼光谱中，共识别并归属了80个拉曼跃迁，其阶数最高达五阶。
• 共振拉曼光谱的主要贡献来自四种声子：A1g(M)、E12g(M2)、E22g(M1)(TA'(M))和E22g(M2)(LA'(M))，均位于M点。
• 除一个外，所有二阶泛音、组合与差频带均已识别，证实了这四种声子的主导作用。
• 由于反演对称性（g/u）不匹配，涉及LA(M)声子的组合在对称性上被禁止，解释了其缺失。
• 约460 cm⁻¹处的2LA带可重新归属：其低频部分源于K点与M点之间的范霍夫奇点，而高频部分则主要由M点处的LA和LA'声子主导。
• K点声子和可能的γ点声子贡献较小，但光谱上可检测，支持MoS2中存在更广泛的声子耦合网络。