光干涉引起的单层二硫化钨气泡中光致发光和拉曼光谱的震荡现象

近年来,二维材料(例如石墨烯、氮化硼和二硫化钼)以其独特的结构及其光学、力学、电学和磁学等方面的优异性能,引起了人们广泛的关注。由于具有良好柔韧性、密封性和机械强度,这种只有原子层厚度的材料与基底之间可以形成各种形状和尺寸的气泡。这些气泡是测量二维材料黏附能、摩擦系数、刚度和杨氏模量的有效模型,同时也具有光、电和磁学等方面的应用潜力。

类似石墨烯,过渡族金属硫属化合物是另一类优异的二维材料。其中二硫化钨(WS2)晶体是一种特殊的具有良好力学性能的材料,可以在各种基底上生长或转移。此外,WS2是半导体,厚度减薄至单层会发生间接带隙到直接带隙的转变。同时,单层WS2具有较强的光致发光能力,具备发光效率高,发射峰宽较窄的特点,在电子学、自旋电子学和光电子等领域显示出良好的应用前景。同时,单层WS2晶体的带隙和晶格振动对应变、压力、温度和电场等外界条件非常敏感,是PL和拉曼光谱学研究的理想模型材料。虽然人们对单层的WS2晶体进行了大量的研究,但迄今鲜有对二维WS2气泡进行实验报道。

燕山大学柳忠元教授等研究人员发现,在惰性气体环境下,通过对SiO2/Si基底上的单层WS2晶体退火加热,可以产生大量的单层WS2气泡。根据原子力显微镜测量和统计分析,此类单层WS2气泡具有球冠轮廓,尺寸在1~30微米之间分布。在较大尺寸单层WS2气泡的光学和荧光照片中可以观察到清晰的牛顿环干涉图样。研究人员通过调节单层WS2气泡外部压力,可有效改变气泡的高度、形状和应变状态,进而引起一系列光谱变化。在常压环境下,通过拉曼(Raman)和光致发光谱(PL)二维成像方法,观察到Raman和PL峰强度、位置和半高宽的震荡现象。分析发现Raman和PL峰强震荡源于单层WS2气泡表面产生的光的干涉增强和相消;而Raman和PL峰位置和半高宽的震荡是由于光的干涉起伏导致热分布不均引起。对比实验表明,在单层WS2上镀一层导热性良好的薄膜可有效抑制Raman和PL谱的峰位置和半峰宽的震荡,印证了局部热效应是引起峰位置和半高宽震荡的原因。

这一成果以标题“Photoluminescence and Raman Spectra Oscillations Induced by Laser Interference in Annealing-Created Monolayer WS2 Bubbles”发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201801373)上,贾志研、董继宇和柳丽轩为共同第一作者,聂安民、向建勇和柳忠元教授为共同通讯作者。该工作为研究单层WS2及其他二维材料的光学和力学性能研究提供了新思路和方法,是首次报道通过简单退火处理生成单层二维材料气泡的一项工作。