Международный коллектив ученых исследовал оптические свойства двумерных кристаллов дисульфида рения (ReS2) в зависимости от расположения и количества атомарных слоев в материале. Исследование опубликовано в журнале Advanced Optical Materials.
ReS2 — ван-дер-ваальсовый кристалл, который имеет слоистую структуру. Он существует в двух фазах AA и AB, которые отличаются разным расположением одинаковых монослоев друг над другом. Эти фазы имеют различные оптические и электронные свойства. В научной литературе данные о фазах ReS2 противоречивы. В данной работе исследователи поставили перед собой задачу разъяснить эти противоречия — экспериментально изучить и теоретически обосновать оптические свойства этих фаз, достоверная информация о которых позволит применять ReS2 в приложениях для оптоэлектроники и нелинейной оптики.
Рисунок 1. Кристаллические структуры двух фаз ReS2. Источник: журнал Advanced Optical Materials
«Наша работа показала, в чем состояли эти противоречия: в предыдущих экспериментах использовались материалы смешанной фазы, то есть часть материала была укомплектована в фазе AA, а другая — в фазе AB. В данной работе наши коллеги смогли произвести качественное изготовление чистых фаз ReS2 различных атомарных толщин и проделать системные измерения их оптических свойств методами комбинационного рассеяния, фотолюминесценции и генерации второй гармоники, что позволило разъяснить литературные противоречия. В дальнейшем наше исследование поможет производить качественную “сборку” гетероструктур на основе AA и AB ReS2, учитывая их разные электронно-оптические характеристики для разработки современных оптических и электронных устройств на основе двумерных материалов», — прокомментировал Кравцов Константин, младший научный сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ.
Укладка слоёв существенно влияет на динамические, электронные и оптические свойства материала. Спектры комбинационного рассеяния, или Раман-спектры, различны у AA и AB фаз. Это значит, что каждая фаза имеет собственные частоты колебаний, то есть динамические свойства. В спектрах люминесценции AA фазы кристалла наблюдается два интенсивных максимума, независимо от числа слоев. В AB фазе проявляются пять максимумов, интенсивность которых зависит от четности слоев в кристалле, что объясняется более сильной связью в AB по сравнению с AA-фазой.
Для более детального анализа ученые провели измерения оптических свойств ReS2 при криогенных температурах. Благодаря этому им удалось разделить перекрывающиеся близлежащие пики в спектрах фотолюминесценции. Это важно для понимания устройства экситонов в материале. Экситон — это квазичастица, которая является связанным состоянием электрона и дырки. Исследователи обнаружили два дополнительных Ридберговских экситона довольно малой интенсивности в AA-фазе, которых не наблюдаются в AB. Эти экситоны характеризуются большими размерами и высокоэнергетическими состояниями, напоминающими атомные орбитали водорода.
Для экспериментального определения упаковки слоев ReS2 исследовались нелинейные оптические свойства этих материалов, а именно генерация второй гармоники. Данное свойство для материалов с центром инверсии равна нулю. Это свойство позволило легко отличить AA-фазу от AB, а в AB-фазе — нечётное количество слоёв от четного. Структура в AA-фазе и AB-фазе с нечетным количеством слоев обладает центром инверсии. Эти структуры не дают сигнала при измерении генерации второй гармоники. Кристалл в AB-фазе, состоящий из четного числа слоев, имеет отклик.
Рисунок 2. Оптическое изображение и карта со спектром генерации второй гармоники в AB фазе ReS2. Источник: журнал Advanced Optical Materials
Оптические свойства образцов с толщиной больше 50 нм значительно отличаются от характеристик структур, состоящих из небольшого количества слоев. Это значит, что объемные образцы ReS2 нельзя рассматривать в виде обычной суперпозиции отдельных монослоев. Этот вывод опровергает распространенное представление, использовавшееся в предыдущих исследованиях.
В ходе работы экспериментально измеренные свойства валидировались расчетами в рамках теории функционала плотности. В связи с высокими требованиями к вычислительным ресурсам физики ограничились расчетом структур ReS2, состоящих от 1 до 5 слоев, в то время как в экспериментальные измерения были выполнены вплоть до 13 слоев.
«В будущем мы планируем выделить бОльшие мощности для проведения более точных расчётов в рамках уравнения Бете—Солпитера, которые помогут глубже понять квантово-механическую природу разного экситонного отклика данных фаз, а также зависимость его от чётности числа слоёв в AB ReS2», — поделился Круглов Иван, заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ.
В работе участвовали ученые из лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Индийского технологического института, Индийского института науки и Ереванского государственного университета.
