[论文解读] 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 13

一句话总结

本研究利用微区光致发光（μPL）和拉曼光谱法，研究了机械剥离的InSe和GaSe薄膜在环境空气中的稳定性。GaSe薄膜在空气中迅速降解，平均侵蚀速率为0.14 ± 0.05 nm/小时，导致数天内PL和拉曼信号显著衰减。相比之下，InSe薄膜在100小时内表现出极低的降解程度。在SiO₂或Si₃N₄中封装可将降解速率降低两个多数量级，使薄膜寿命延长至数月。

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$_y$.

研究动机与目标

• 评估InSe和GaSe薄膜在标准大气条件下的环境稳定性。
• 量化这些材料在长时间暴露下光致发光（PL）和拉曼信号的降解速率。
• 评估电介质封装（SiO₂、Si₃N₄）在抑制环境降解方面的有效性。
• 比较InSe和GaSe在范德华异质结构应用中的相对稳定性。

提出的方法

• 通过机械剥离从块状InSe和GaSe晶体在热氧化硅基底上制备薄层膜（9–75 nm）。
• 采用原位微区光致发光（μPL）和微区拉曼光谱法，在空气中监测光学性质随时间的变化。
• 利用先前工作的厚度依赖性PL测量结果，通过将PL强度衰减与有效厚度减少匹配，估算侵蚀速率。
• 采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在GaSe薄膜上沉积10 nm厚的Si₃N₄或SiO₂顶盖层，以测试稳定性。
• 在10 K下进行时间分辨PL和拉曼测量，以最小化热效应，从而将降解完全归因于环境暴露。
• 对十组不同厚度的GaSe薄膜进行统计分析，得出平均侵蚀速率及其不确定性（0.14 ± 0.05 nm/小时）。

实验结果

研究问题

• RQ1 当暴露于环境空气时，InSe和GaSe薄膜的光致发光强度如何随时间变化？
• RQ2 在环境条件下，GaSe薄膜的表面侵蚀速率是多少，如何通过光学光谱法进行量化？
• RQ3 为何InSe在相同环境暴露下表现出显著低于GaSe的降解程度？
• RQ4 电介质封装（SiO₂或Si₃N₄）在多大程度上可抑制GaSe薄膜的降解？
• RQ5 与未封装薄膜相比，GaSe薄膜在封装后的有效寿命延长了多少？

主要发现

• 对于10–25 nm厚的GaSe薄膜，PL强度在24–72小时内下降至初始信号的50%以下；对于48–75 nm厚的薄膜，该时间范围为48–75小时。
• 24 nm厚的GaSe薄膜在空气中暴露一周后，拉曼信号强度降低约10倍，表明存在显著的结构降解。
• GaSe薄膜在环境暴露下的平均侵蚀速率为0.14 ± 0.05 nm/小时，归因于表面氧化和水解反应。
• 相比之下，InSe薄膜在空气中暴露100小时后PL强度下降不足20%，表明其具有优异的本征稳定性。
• 在10 nm厚的SiO₂或Si₃N₄封装后，GaSe薄膜的降解速率降低两个多数量级，薄膜寿命延长至数月。
• 封装后的GaSe薄膜在一个月后PL光谱显示强度或谱线形状几乎无变化，证实了对环境降解的有效防护。