半導體所等在各向異性二維材料物性研究方面取得系列進展

中國粉體網訊  二維層狀晶體材料，比如石墨烯和二硫化鉬（MoS2）等，具有優良的電學性能和光學性能，因此被期待可用來發展更薄、導電速度更快的新一代電子元件、晶體管和光電器件。近幾年來，平面內各向異性的二維晶體材料，如黑磷(BP)，二硫化錸(ReS2)和二硒化錸(ReSe2)等，由于其具備的獨特性質和在納米器件方面的應用價值而受到人們的極大關注。與各向同性的二維材料(如石墨烯和MoS2)相比，平面內各向異性的二維晶體材料多一個平面內的自由度，所以它們的性質更加豐富多彩。

　　最近，中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室研究員譚平恒研究組在各向異性二維材料的物性研究方面取得了系列進展。研究組和南加州大學教授汪涵等合作，通過拉曼光譜和光致發光光譜表征了平面內各向異性的二維材料ReSe2。他們發現從單層到體材料ReSe2的拉曼光譜和光致發光光譜存在著各向異性，并在多層ReSe2中觀察到超低頻層間剪切和呼吸耦合振動模。結合第一性原理計算表明，偏振拉曼光譜可以用來表征ReSe2的晶格取向。相關工作發表在Nano Research 2015, 8(11): 3651–3661。

　　在之前的報道中，人們認為各向異性二維晶體材料(如ReS2)的層間是隨機堆垛的。譚平恒研究組和中國人民大學教授季威等合作，通過超低頻和高頻拉曼光譜、光致發光光譜和密度泛函理論計算展示了多層ReS2存在兩種穩定的堆垛結構，即所謂的“類各向同性”和“類各向異性”結構，其中他們發現“類各向同性”的豐度僅為10-15%。在多層“類各向同性”ReS2中，觀察到了兩種不簡并的層間剪切振動模；而在多層“類各向異性”ReS2中，只觀察到一種簡并的層間剪切振動模，這表明“類各向同性”和“類各向異性”分別對應類各向同性和類各向異性的兩種堆垛方式。這兩種堆垛方式的多層ReS2的高頻拉曼光譜和光致發光光譜具有顯著的差別，也可以用來鑒別多層ReS2的層間堆垛方式和層數。多層ReS2多構型的這種特性將會促使人們通過改變堆垛方式來調控其他各向異性二維晶體材料的物理性質和器件應用。相關結果發表在Nanoscale 2016, 8, 8324-8332。該研究進展引發了國際上廣泛關注。美國北愛荷華大學和法國斯特拉斯堡大學針對多層ReS2的超低頻拉曼光譜報道了兩種截然不同的實驗結果，并分別發表于Nano Lett 和ACS Nano。而譚平恒研究組報道了多層ReS2的兩種穩定的不同堆垛結構，并在超低頻和高頻拉曼光譜、光致發光光譜和密度泛函理論計算方面進行了系統研究，完全統一地解釋了國外上述兩大學獲得的來源于不同堆垛結構的兩種截然不同的實驗結果。

　　除了自然界中存在的各向異性二維材料（ReSe2和ReS2），該研究組還研究了人造各向異性二維材料。研究組和南加州大學教授汪涵和吳蔚等合作，運用氦離子刻蝕技術，在各向同性的單層MoS2上刻蝕出從5nm到15nm寬的納米帶陣列。通過拉曼光譜和反射襯度譜的表征發現，這種納米帶的光學性質存在著顯著的各向異性。拉曼譜隨納米帶寬度的變化可以通過量子限制模型得到很好的解釋。此外，研究發現，通過納米帶相對于單層材料的拉曼峰強度可以鑒別納米帶的寬度。相關工作在線發表于Advanced Optical Materials。

　　博士生吳江濱和喬曉粉分別為上述工作的(共同)第一作者。該系列工作得到了國家自然科學基金的支持。