[论文解读] Spectroscopic investigation of defects in two dimensional materials

Zhangting Wu, Zhenhua Ni|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2016

2D Materials and Applications参考文献 105被引用 5

一句话总结

本综述系统总结了近年来利用拉曼光谱和光致发光光谱技术识别与量化二维（2D）材料中结构缺陷的进展。研究表明，光谱技术能够揭示缺陷类型及其对电子与光学性能的影响，并为在先进应用中实现二维材料的缺陷工程提供了框架。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) materials have been extensively studied in recent years due to their unique properties and great potential for applications. Different types of structural defects could present in 2D materials and have strong influence on their properties. Optical spectroscopic techniques, e.g. Raman and photoluminescence (PL) spectroscopy, have been widely used for defect characterization in 2D materials. In this review, we briefly introduce different types of defects and discuss their effects on the mechanical, electrical, optical, thermal, and magnetic properties of 2D materials. Then, we review the recent progress on Raman and PL spectroscopic investigation of defects in 2D materials, i.e. identifying of the nature of defects and also quantifying the numbers of defects. Finally, we highlight perspectives on defect characterization and engineering in 2D materials.

研究动机与目标

• 系统分析二维材料中存在的结构缺陷类型及其对物理性能的影响。
• 评估拉曼光谱和光致发光光谱在识别缺陷本质与浓度方面的能力。
• 全面概述适用于新兴二维材料的缺陷表征技术。
• 突出当前在二维材料器件性能优化中缺陷工程面临的挑战与未来方向。
• 弥合基础缺陷科学与纳米电子学及光电子学中实际应用之间的鸿沟。

提出的方法

• 利用拉曼光谱检测点缺陷、空位和晶界引起的晶格畸变与应变诱导的峰位偏移。
• 采用光致发光（PL）光谱探测缺陷相关的电子跃迁与带隙变化。
• 通过在不同二维材料间进行对比分析，将光谱特征（峰位偏移、峰形展宽、新峰出现）与特定缺陷类型相关联。
• 通过缺陷诱导峰强度比与线型拟合实现缺陷的定量分析，以估算缺陷密度。
• 综述来自多种二维材料（如过渡金属二硫属化物、石墨烯）的实验数据，以建立可推广的光谱特征。
• 将理论模型与实验光谱数据相结合，以解释缺陷形成能与电子态。

实验结果

研究问题

• RQ1 二维材料中主导的结构缺陷类型是什么？它们如何改变材料的力学、电学与光学性能？
• RQ2 拉曼光谱在识别与区分二维材料中不同类型缺陷方面具有哪些应用？
• RQ3 光致发光光谱在检测与量化二维半导体中缺陷态方面的能力如何？
• RQ4 哪些光谱特征可作为特定缺陷（如空位、吸附原子或晶界）的独特标识？
• RQ5 如何利用光谱数据指导二维材料基技术中的缺陷工程以提升器件性能？

主要发现

• 拉曼光谱可揭示二维材料中缺陷引起的峰位偏移与峰形展宽，从而实现对点缺陷与应变场的识别。
• 光致发光光谱可检测缺陷相关的发射峰，尤其在过渡金属二硫属化物中表现明显，表明存在局域电子态。
• 通过拉曼光谱中缺陷相关峰强度与本征声子模式强度的比值，可实现缺陷浓度的量化。
• 空位与晶界的存在会导致PL强度与峰位发生可测量的变化，且与载流子迁移率降低相关。
• 光谱技术可实现对材料合成与器件运行过程中缺陷演化过程的非破坏性、原位监测。
• 已建立一致的缺陷表征框架，将特定光谱特征与多种二维材料体系中的缺陷类型有效关联。