[论文解读] A Se vacancy induced localized Raman mode in two-dimensional MoSe2 grown by CVD

Shudong Zhao, Meilin Lu+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2019

2D Materials and Applications被引用 9

一句话总结

本研究将化学气相沉积法生长的MoSe₂中此前未被解释的约250 cm⁻¹拉曼峰归因于硒空位（VSe）引起的缺陷诱导局域振动模式。通过偏振拉曼光谱和密度泛函理论（DFT）分析，作者证明单个硒空位会产生一种A1g样局域振动模式，其峰强度可作为材料质量的定量指标，为调控和探测二维过渡金属二硫属化物中的硫属元素空位提供了新途径。

ABSTRACT

Defects play a significant role in optical properties of semiconducting two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDCs). In ultra-thin MoSe2, a remarkable feature at ~250 cm-1 in Raman spectra is ascribed to be a defect-related mode. Recent attempts failed to explain the origin of this peak, leaving it being a mystery. Here in this work, we demonstrate that this peak is a Se vacancy induced defect mode. Heat effect and hydrogen etching are two main factors to introduce Se vacancies in CVD process of growing MoSe2. A phonon confinement model can well explain the behaviors of intrinsic Raman modes. Density functional theory (DFT) calculation reveals that single Se vacancy (VSe) is responsible for the appearance of Raman peak at ~250 cm-1 and this mode is an A1g-like localized mode which is also confirmed by polarized Raman scattering experiment. The relative strength of this mode can be a characterization of the quality of 2D MoSe2. This work may offer a simple method to tailor chalcogenide vacancies in 2D TMDCs and provide a way to study their vibrational properties.

研究动机与目标

• 解决长期以来在超薄MoSe₂中一个显著拉曼峰（~250 cm⁻¹）起源不明的谜题。
• 研究缺陷（尤其是硒空位）对二维MoSe₂振动和光学性质的影响。
• 建立缺陷诱导拉曼模式强度与化学气相沉积法生长的MoSe₂薄膜质量之间的关联。
• 提供一种调控硫属元素空位并探测其在二维过渡金属二硫属化物中振动特征的方法。

提出的方法

• 通过偏振拉曼散射测量分析化学气相沉积法生长的MoSe₂中~250 cm⁻¹拉曼模式的对称性和空间局域性。
• 利用密度泛函理论（DFT）计算模拟MoSe₂中单个硒空位（VSe）的振动模式。
• 应用声子局域化模型描述超薄MoSe₂中本征拉曼模式的行为。
• 在化学气相沉积生长过程中通过热处理和氢气刻蚀系统引入硒空位，并将其浓度与拉曼峰强度相关联。
• 将实验拉曼谱与DFT预测的振动模式进行比较，确认缺陷诱导模式具有A1g样对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在化学气相沉积法生长的MoSe₂中，一个显著的~250 cm⁻¹拉曼峰长期缺乏明确解释，其起源是什么？
• RQ2 硒空位如何影响二维MoSe₂的振动性质？
• RQ3 ~250 cm⁻¹拉曼峰的强度能否作为MoSe₂材料质量的定量指标？
• RQ4 在~250 cm⁻¹处观测到的缺陷诱导振动模式的对称性和局域化特性是什么？

主要发现

• ~250 cm⁻¹的拉曼峰被明确归因于硒空位诱导的局域振动模式，具体为单个硒空位（VSe）所致。
• 缺陷模式表现出A1g样对称性，这通过偏振拉曼散射实验中显著的偏振依赖性得到证实。
• 密度泛函理论（DFT）计算证实单个VSe会产生一个~250 cm⁻¹的局域振动模式，与实验观测结果一致。
• ~250 cm⁻¹峰的相对强度与硒空位浓度强相关，使其成为MoSe₂质量的定量指标。
• 在化学气相沉积生长过程中，热处理和氢气刻蚀被确定为硒空位形成的主要来源。