[论文解读] Unambiguous identification of monolayer phosphorene by phase-shifting interferometry

Jiong Yang, Renjing Xu+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2014

2D Materials and Applications参考文献 28被引用 10

一句话总结

本文提出了一种用于在SiO2/Si基底上无歧义、非侵入性且快速测定单层黑磷烯层数的相位剪切干涉测量技术。该方法可精确测量光学带隙，得出约0.4 eV的激子结合能，与理论预测高度一致，证实了该材料独特的电子特性。

ABSTRACT

Monolayer phosphorene provides a unique two-dimensional (2D) platform to investigate the fundamental many-body interactions. However, owing to its high instability, unambiguous identification of monolayer phosphorene has been elusive. Consequently, many important fundamental properties, such as exciton dynamics, remain underexplored. We report a rapid, noninvasive, and highly accurate approach based on optical interferometry to determine the layer number of phosphorene, and confirm the results with reliable photoluminescence measurements. Based on the measured optical gap and the calculated electronic energy gap, we determined the exciton binding energy to be ~0.4 eV for the monolayer phosphorene on SiO2/Si substrate, which agrees well with theoretical predictions. Our results open new avenues for exploring fundamental phenomena and novel optoelectronic applications using monolayer phosphorene.

研究动机与目标

• 为解决由于单层黑磷烯高不稳定性导致的无歧义识别挑战。
• 开发一种快速、非侵入性且高精度的磷烯层数测定方法。
• 将测得的光学带隙与计算的电子能隙相关联，以确定激子结合能。
• 通过可靠的光致发光测量验证结果。
• 为未来探索单层黑磷烯中的基本多体相互作用及光电子应用提供支持。

提出的方法

• 采用相位剪切干涉测量技术，测定SiO2/Si基底上黑磷烯纳米片的光学厚度和折射率。
• 通过与理论模型比较，利用测得的光学带隙推断电子能隙。
• 采用经过校准的干涉测量装置，实现无损高精度的层数测定。
• 通过光致发光光谱学验证干涉测量结果，确认其光学与电子特性。
• 通过光学带隙与电子能隙之差计算激子结合能。
• 利用SiO2/Si基底作为参考平台，以提高测量精度与可重复性。

实验结果

研究问题

• RQ1 相位剪切干涉测量技术能否提供一种无歧义、非侵入性的方法，用于识别单层黑磷烯的层数？
• RQ2 单层黑磷烯中的激子结合能是多少？与理论预测相比如何？
• RQ3 光学干涉测量技术在多大程度上能精确测定少层黑磷烯的厚度与电子特性？
• RQ4 光致发光测量在多大程度上与干涉测量结果相互印证？
• RQ5 该方法是否能在黑磷烯高不稳定性的情况下实现可靠的表征？

主要发现

• 相位剪切干涉测量方法可实现快速、非侵入性且高精度的黑磷烯层数测定。
• 测得的光学带隙与单层黑磷烯在SiO2/Si基底上的理论预测结果一致。
• 单层黑磷烯中的激子结合能被确定为约0.4 eV，与理论估算值相符。
• 光致发光测量证实了干涉分析所得出的光学与电子特性。
• 该技术成功克服了黑磷烯不稳定性带来的挑战，实现了可靠的表征。
• 结果验证了干涉测量作为研究具有强电子关联效应的二维材料的稳健工具的适用性。