מאמר שיטה

ספקטרוסקופיית פיזורפלקטנס של מעברים אופטיים בגבישים שכבתיים של ואן דר ואלס

107 צפיות

⸱

DOI:

10.3791/70205

⸱

22 במאי 2026

 ,  , 
1Wrocław University of Science and Technology

במאמר זה

סיכום

אנו מציגים פרוטוקול ספקטרוסקופיה פיזורפלקטנסי עם מודולציית עיוות שניתן לשחזר, המאפשר מדידת ΔR/R באמצעות זיהוי נעילה עבור גבישי ואן דר ואלס המועברים לפיזוקרמיקה, ותוצאות של אפיון מעברים אופטיים ישירים דרך ספקטרום ΔR/R באמצעות התאמת נגזרת שלישית עם נוסחת אספנס.

תקציר

מטרת הפרוטוקול היא לאפשר זיהוי מדויק של מעברים אופטיים ישירים במוליכים למחצה של ואן דר ואלס באמצעות ספקטרוסקופיית פיאזרפלקטנסיה. השיטה מיישמת מודולציית עיוות מחזורית קטנה על דגימה המותקנת על טרנסדוסר פיזואלקטרי ומזהה את שינוי ההחזרה באמצעות מגבר נעילה, מה שיוצר ספקטרום דמויי נגזרות שבהם אות רקע מתבטל, ותכונות קצה הפס הופכות לבולטות. זרימת העבודה מפרטת הרכבת מערכת אופטית חד-מסלולית בפס רחב (מקור הלוגן, מונוכרומטור, אופטיקה של מיקרוסקופ, פוטודיודה סיליקון), שילוב של קדם-מגבר רעש נמוך ואלקטרוניקה נעולה, וחיבור בטוח במתח גבוה לפיזוקרמי. ההוראות בשלבים כוללים פילינג והעברת פתיתים, יישום דבק דק במיוחד, מגעים חשמליים עם משחת כסף עם ייבוש בטמפרטורת החדר, ורכישת רכיב AC (ΔR) ורכיב DC (R) – החזרה המוזכרת על ידי צ'ופר. עיבוד הנתונים כולל תיקון קו בסיס, חישוב ΔR/R, והתאמה עם צורות קו נגזרת שלישית סטנדרטיות להפקת אנרגיות מעבר, הרחבות, פאזות וחוזקות יחסיות. הגדרות מייצגות והנחיות לפתרון תקלות מקדמות את יחס האות לרעש תוך שמירה על דיוק ספקטרלי. בהשוואה לניגודיות החזרה ופוטורפלקטנס, גישה זו משפרת את התוצאות במעברים מגיבים לעיוות ונשארת יעילה כאשר מודולציית השדה החשמלי הפנימית חלשה. הפרוטוקול תומך במיפוי בקנה מידה מיקרומטרי ותאימות משכבות דקות לנפח גדול, ומעודד לשלב אותו עם מדידות פוטולומינסציה או רמאן, המספק מסלול חזק וכללי לאפיון אופטי של מוליכים למחצה בשכבות.

מבוא

ספקטרוסקופיית פיזורפלקטנס (PzR) היא וריאנט של ספקטרוסקופיית מודולציה עם מודולציית עיוות, המנצלת אינטראקציות אור-חומר מבוססות היטב כדי להפיק בדיוק גבוה אנרגיות אקסיטוניות ומעברי פס לרצועה1. ב-PzR, הדגימה מותקנת על מתמר פיזואלקטרי; מתח חילופין שמופעל יוצר מתיחה מחזורית קטנה (ΔA/A) שמפריע לסריג הגביש ומווסת את מבנה הפס האלקטרוני, בעיקר את פער הרצועה. דבר זה גורם לשינויים סינכרוניים בפונקציית הדיאלקטרי המורכבת ולכן גם בהחזרה, ΔR, אשר מזוהים בשיטות רגישות לפאזה (נעילה פנימית) כדי להניב צורות קו דמויות נגזרת כאשר הרקע המשתנה באיטיות מדוכא בחוזקה. המטרה היא לאפשר אפיון אופטי כמותי של גבישי ואן דר ואלס (vdW) ומבנים מיקרו-מוליכים למחצה - כולל סופר-סריגים, בארות קוונטיות והטרוג'נקונקציות - על ידי חשיפת תכונות קצה פס חלשות שלרוב אינן נראות בקונטרסט החזר קונבנציונלי (RC) ועל ידי מתן שליטה מבוקרת על קישור מתח-אקסיטון הרלוונטי ליישומים אלקטרוניים ואופטואלקטרוניים מתקדמים 2,3,4, 5,6. הפרוטוקול תואם לפתיתים בקנה מידה מיקרומטר וניתן לרשום אותו יחד עם מדידות פוטולומינציה או רמאן לניתוח מולטימודלי תחת עיוות מכווננות. בנוסף, אנו חוקרים תצורה נטולת דבק שבה גבישי vdW מתקלפים ישירות על פיזוקרמיקה כדי למדוד מיקרופיאזרפלקרטנס (μPzR) בפתיתי vdW בגודלמיקרון.

בהשוואה לניגודיות החזרה, שבדרך כלל מיושמת על גבישים vdW ומבנים הטרומבניים 8,9, פיזורפלקטנס מציע מספר יתרונות מעשיים ואנליטיים. מכיוון שאות ה-PzR המזוהה בנעילה מנורמל באופן מהותי ל-ΔR/R, צורת הקו הספקטרלי נשמרת גם כאשר הקצב האבסולוטי נוטהל-1, בתנאי ששטף הפוטונים מספיק ליחס אות לרעש טוב. האופי הנגזר של ספקטרום המודולציה מדכא רקעים משתנים לאט ומחדד מעברים אופטיים הקשורים לנקודה קריטית בצפיפות האופטית הכוללת של מצבים, מה שמשפר את רזולוציית האנרגיה ומאפשר חילוץ אמין גם של מעברי אקסיטוניים בין-פסים חלשים ומעברי רצועה לרצועה11,12. מדידות PzR בוחנות באופן סלקטיבי רק את המעברים שפרמטריהם (אנרגיית מעבר E, עוצמה I, או Γ מתרחבת) מגיבים למאמץ המופעל; כתוצאה מכך, אזורים ספקטרליים שאינם רגישים למתח אינם מספקים אות, בעוד שמעברים תגובתיים באמת בולטים עם ניגודיות גבוהה 1,13,14. מצד שני, RC מסתמך על חיסור שני ספקטרום החזרה שנמדדו באופן עצמאי (דגימה והפניה בדרך כלל מגיעים מהתת-קרקע), כך שכל אי-התאמה או סטייה קטנה מתורגמת לקו בסיס גדול ולא אפס לאורך כל טווח הספקטרום; מעברים חלשים יכולים להיות מוסתרים על ידי רקע זה, מגבלה שמודגמת במפורש בחומרים שבהם RC נכשל בפתרון תכונות בין-תחומיות שנשארות בולטות ב-PzR (למשל, FePS₃ ו-NiPS₃), בעוד שמעברים חזקים ב-MoS₂ נשארים גלויים באחת מהשיטות7.

כמקביל מודולציאלי למאמץ להחזרה קונבנציונלית, PzR מגדיר ענף מובחן של ספקטרוסקופיית מודולציה שבו מתח חד-צירי או קו-מישורי מחזורי מבודד תכונות דמויות נגזרת הקשורות ישירות לפוטנציאלי עיוות ולכללי בחירת סימטריה 1,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24. בתוך שישה עשורים של ספקטרוסקופיית מודולציה, ההחזרה הפיאזומודולטית התפתחה מאז היישום הראשון שלה בשנות ה-60 במדידות של מוליכים למחצה קבוצת-IV/III–V לגלאי רב-תכליתי של פוטנציאלי עיוות, אופי נשא ומבנה אקסיטוני על גבישים בתפזות, הטרוסטרוקטורקטורים וחומרים vdW 1,15,16,18,19,25,26 ,27. PzR הופיעה בתחילת שנות ה-60 עם הדגמות פורצות דרך של פיזורפלקטנס ב-Ge15 ו-Si28, וכן פיזו-אלקטרורפלקטנס ב-Ge, GaAs ו-Si. תיאוריה/ניסוי יסוד בתחילת שנות ה-70 חיזקה את הפורמליזם וסיפקה סקירות מקיפות 1,25. רנסנס מאוחר יותר קבע את PzR כבדיקה ישירה של פוטנציאלי עיוות בגבול האלסטי וכטכניקה רגישה למצבויברוני 17, אשר זרזה יישומים למבנים הטרוסקטורים מתוחים בשנות ה-90 – פתרון אופי אלקטרון/חור ומיקום מרחבי באפיליירות, בארות קוונטיות וסופר-רשתות תחת גאומטריות מתח חד-ציריות או קו-מישוריות מבוקרות18. בשנות ה-2000 ואילך, התחום התרחב גם לננו-מבנים למחצה ולחומרים מסוג ואן דר ואלס (vdW) – לכידת מעברים במצב מוגבל בנקודות קוונטיותשטחיות 19 וחקירת מבני פס אלקטרוניים ב-TMDs וסגסוגות26,27. חוט מאחד בספרות זו הוא יישום מאמץ מבוקר היטב ומודולציה תקופתית: באמצעות מתמרים פיזואלקטריים על גבישים בודדים, על שכבות מתכת מתאדות21,22, או על ידי כיפוף בתדר נמוך של גבישים יוניים ומתכתיים (למשל, KI, KBr, Cu)23, בתוספת מכשיר המאפשר מאמץ חד-צירי משולב סטטי ודינמי24. בהתבסס על קורפוס זה, השיטה שלנו מתמקדת בהזדמנויות פתוחות לגבישי vdW ומבנים הטרוסקטורים – חקירת מעברים אקסיטוניים שיכולים להיות חלשים או בלתי נראים בקונטרסט רפלקנטי, אפשרות קישור מאמץ, ואינטגרציה של PzR עם מדידות PL או ספקטרוסקופיית רמאן לאפיון רב-מודלי ופתרון עיוות 19,26,27 . לכן, הקוראים יכולים למקם את PzR לצד ובשילוב עם גלאי אופטיים מוכרים בעת הערכת ההתאמה למערכות שלהם.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. הרכבת המערכת למדידות פיזורפלקטנס (ΔR/R) באמצעות טכניקת נעילה

  1. לבנות את המסלול האופטי לביצוע מדידות פיזורפלקטנס בתצורה כהה באמצעות מקור אור הלוגן רחב פס, מונוכרומטר, חריץ יציאה עם פתח מתכוונן, אופטיקת היגוי קרן, שלב דגימה עם מיקרו-בקרים XYZ, עדשת מיקרו-אובייקטיביות וגלאי (למשל, גלאי פוטודיאודה מסוג סיליקון PIN). נתב תצוגה מקדימה של הקרן למצלמת CCD ליישור (איור 1).

figure-protocol-1
איור 1: דיאגרמה סכמטית של מערכת הניסוי. חתך ורוד בלבד למדידות החזרה מבוססות צ'ופר עם יחס אות לרעש טוב יותר. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

  1. אינטגרציה של השרשרת האלקטרונית על ידי הוספת קדם-מגבר זרם בעל רעש נמוך בין הפוטודיאודה למגבר הנעילה. נתב את רכיב ה-AC ואת רכיב ה-DC של האות שזוהה למגבר הנעילה.
  2. חבר גנרטור מתח פונקציוני/AC לאלמנט הפיזוקרמי דרך כבלים מבודדים. נתב את פלט ההתייחסות של הצ'ופר ל-lock-in למדידות החזרה.
  3. פתח יישום בקרה ורכישה (למשל, LabVIEW) שמתקשר עם המונוכרומטור ומגבר הנעילה, קורא את אות הגלאי, וכותב את התוצאות לקובץ טקסט. הגדר דרייברים של מכשירים ויציאות תקשורת במחשב המארח. ראו איור 2 לדוגמה של דיאגרמת בלוקים ביישום.
  4. חבר את פלט הנעילה למחשב לצורך רישום נתונים. לאחר השלמת היישור האופטי, ניתן להשהות את הניסוי כאשר המערכת כבויה.

figure-protocol-2
איור 2: זרימת עבודה תוכנה לשליטה בנעילת מונוכרומטור ורכישת נתונים. דיאגרמת בלוקים של תוכנית הבקרה (למשל, LabVIEW). אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

הערה: יישום השליטה/רכישה תלוי בחומרה. מכיוון שההגדרות התקפות משתנות בדגמי מכשירים ובחיווט, דוגמת קוד LabVIEW ספציפית אינה ניידת ולכן אינה מסופקת. לצילום מסך מייצג, ראו איור משלים 1.

2. הכנת הדגימה

הערה: ראו איור 3 לציוד נחוץ.

  1. לדלל את החומר המרכזי שיש לאפיין (למשל, גביש ואן דר ואלס כמו MoSe₂, MoS₂, WSe₂, WS₂) באמצעות חיתוך חוזר באמצעות סרט דבק (איור 4A) עד שמגיעים לעובי המועדף.
  2. העבר את השברים המדוללים מהסרט לחותמת PDMS על ידי למינציה של PDMS על הסרט (איור 4B) וקילוף ה-PDMS לאחר ~5 דקות, כך שהפתיתים יישארו על ה-PDMS (איור 4C) להעברה הבאה לפיזוקרמי.
  3. נקה את פני השטח הפיזואקרמי על ידי שטיפה באצטון במכסה אדים כימי מוסמך. ייבשו את המשטח באוויר נקי או חנקן.
    אזהרה: אצטון דליק מאוד ונדיץ; הימנעו ממקורות הצתה, הימנעו משאיפה ומקשר עור/עין, ואספו פסולת במיכלים מאושרים בתוך מכסה אדים. לבש ציוד מגן אישי מתאים (חלוק מעבדה, משקפי בטיחות וכפפות עמידות לכימיקלים).
  4. מרחו שכבה דקה מאוד של מדיום דבק על הפיזואקרמיקה (איור 4D) (למשל, לק חסר צבע כדבק דק, או שכבת דבק סופר-גל לסרטים עבים יותר). לטפל בדבקים נדיפים במכסה אדים כימי ולהשאיר כמות מינימלית לפני ההעברה. המשיכו במהירות לשלב הבא בפרוטוקול כדי למנוע מהשכבה הדקה של הדבק להתייבש.
    זהירות: רבים מהדבקים מכילים ממסים דליקים; החזיק בתוך מכסה אדים כימי מוסמך והרחק ממקורות הצתה.
  5. מניחים את ה-PDMS הנושא את הפתית על הדבק הרטוב בפיזוקרמיקה, לחצו בעדינות כדי להבטיח מגע (איור 4E), המתינו ~30 שניות והסרו (קילוף) את ה-PDMS כך שהחומר יישאר על הפיזוקרמיקה (איור 4F). אימות ההידבקות באמצעות בדיקה ויזואלית (בעין); אם יש צורך או מועדף, יש לאשר זאת תחת מיקרוסקופ אופטי.
    הערה: יש להימנע מהחלקה צדדית של חותמת ה-PDMS במהלך המגע כדי למנוע קריעה/גרירת פתיתים; לקלף את ה-PDMS לאחור בצורה חלקה.

figure-protocol-3
איור 3: חומרים לפילינג והעברה לפיזוקרמיקה. אנא לחצו כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של הדמות הזו.

figure-protocol-4
איור 4. הכנה שלב אחר שלב והעברה של פתיתי vdW מקולפים על מפעיל פיזוקרמי. (א) הפחתת עובי הגביש בתפזורת באמצעות חיתוך חוזר באמצעות סרט דבק. (ב) למינציה של חותמת PDMS על הסרט כדי לאתר שברים מדוללים. (ג) קילוף חותמת PDMS באמצעות פינצטה; פתיתי פילינג נראים על ה-PDMS בעין (תלוי בעובי). (ד) יישום שכבת דבק דקה על פני השטח הפיזוקרמיים לקידום היצמדות פתיתים והעברת עיוות. (ה) הצבת חותמת ה-PDMS הנושאת פתיתים על שכבת הדבק הרטובה להעברה. (ו) מפעיל פיזוקרמי סופי עם פתיתים שנדבקו אליו לאחר הסרת PDMS, מוכן ליישור אופטי ומדידות פיזורפלקטנס. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

3. התקנת דגימות וחיבור

  1. צור אלקטרודות נפרדות כדי לאפשר הפעלת מתח חילופין על פני הפיזוקרמיקה.
    1. מניחים את הפיזוקרמיקה עם הדגימה המועברת על שלב הדגימה וקבע אותה מכנית עם משחת כסף, כדי להבטיח מגע חשמלי עם האלקטרודות התחתונות של הפיזוקרמיקה.
    2. צור את המגע החשמלי העליון באמצעות משחת כסף וחוט נחושת. אפשר למשחת הכסף להתייבש לגמרי (~10 שעות בטמפרטורת החדר) לפני הפעלת מתח כלשהו כדי למנוע נזק למגע.
      אזהרה: משחת כסף רעילה מאוד לאורגניזמים מימיים, וגורמת להשפעות לוואי ארוכות טווח. עלול לגרום לעייפות או סחרחורת. נוזל דליק ואדים.
  2. לאחר מריחת משחת הכסף, התייבש בטמפרטורת החדר במשך כ-10 שעות לפני שממשיכים. הדגימה המוכנה יכולה להיאחסן בבטחה כל עוד המגעים שלמים ומוליכים חשמל.
  3. הכנס את הדגימה המותקנת למערכת האופטית. חבר את האלקטרודות עם חוטים מבודדים (איור 5) לגנרטור מתח ה-AC ולהארקה. שמור על כל המוליכים החשופים מבודדים ומוגנים, הרחק מהמסלול האופטי.
    זהירות: ייתכן שמתח גבוה קיים (למשל, עד 1500 וולט AC); השתמש בכבלים מבודדים, בדוק הארקה תקינה ואל תיגע במגעים חיים. לסגור חיבורים או להשתמש במנעולי אינטרלוק כאשר יש.

figure-protocol-5
איור 5: מפעיל דיסק פיזוקרמי והתקנת שלב דגימות ליישור אופטי. (א) מבט עליון של הדיסק הפיזואקרמי (Ø30 מ"מ) עם דגימות מודבקות על פניו; החוטים מחוברים לאלקטרודה העליונה (הנראית) והתחתונה (מוסתרת מתחת לדיסק הפיזוקרמיקה). (B) מפעיל המותקן על שלב תרגום ידני X–Y עם הנעות מיקרומטר, המאפשר מיקום מדויק מיקרומטרי ליישור אופטי. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

4. מדידת רכיב AC נעול בפרופורציונליות ל-ΔR ורכיב ה-DC פרופורציונלי ל-R

  1. הדליק את מקור האור של הלוגן והגדר אותו למקסימום. ודא שהמסוכן האופטי אינו חוסם את חריץ הכניסה של המונוכרומטר.
  2. הספק על המונוכרומטור, הפרה-מגבר, מגבר נעילה, מצלמת CCD ומחשב הבקרה עם יישום הבקרה והרכישה שפותח. חכה לפחות 10 דקות עד שהמערכת תתייצב. בין השאר, ייצוב האות תלוי בחימום שנגרם מהדלקת מנורת ההלוגן.
  3. הגדר את המונוכרומטור לאפס לאורך גל כך שכל ספקטרום המנורות יעבור דרכו. בחר את רשת הדיפרקציה/צפיפות החריץ המתאימה למדידה.
  4. קבע את רוחב החריץ המועדף של הכניסה/יציאה של המונוכרומטור כדי להשיג את הרזולוציה הספקטרלית הרצויה.
    הערה: ככל שהחריץ צר יותר, כך הרזולוציה הספקטרלית של המדידה טובה יותר; עם זאת, פחות אור מגיע לדגימה, והאות המזוהה נחלש. יש להתאים את הפרמטרים באופן ניסיוני כדי להשיג את האפקט האופטימלי.
  5. נתב את הקרן למצלמת ה-CCD ויישר את הנקודה באזור הנבחר בדגימה באמצעות מיקרו-בקרי XYZ. כוון את פתח דיאפרגמת הקשתית כדי לקבוע את קוטר הנקודה על הדגימה.
  6. העבר את מסלול האות מהתצוגה המקדימה של CCD לגלאי פוטודיאודה מסוג סיליקון PIN.
  7. הגדר את הקדם-מגבר: הגדר את מתח ההטיה, סוג הפילטר/חיתוך, הסטת הכניסה, מצב הגבר ורגישות כדי להשיג אות יציב ללא רוויה. תעד את הערכים שנבחרו. להגדרות דוגמה, ראו איור משלים 2.
  8. הגדר את מגבר הנעילה להצגת X (בפאזה). הגדר את תדר הייחוס (למשל, 280 הרץ) כפי שמיועד לתדר מחולל המתח החילופין ובחר את מקור ההתייחסות הפנימי. לאחר מכן בחרו קבוע זמן מתאים (בדרך כלל ≥ 1 שניות; עד ~30 שניות לאותות חלשים) ורגישות. להגדרות דוגמה, ראו איור משלים 3A.
    הערה: אופטימיזציה אמפירית של קבוע הזמן והרגישות בהתבסס על תגובת החומר והאור הזמין, החל מערכים שהצליחו קודם לכן עבור דגימות דומות. מרווח הזמן (ההשהייה) בין נקודות המדידה צריך להיות ארוך יותר מקבוע הזמן שנקבע במהלך המדידה.
  9. הפעל את מחולל מתח ה-AC והגדר את המשרעת הרצויה (למשל, 100 וולט). בדוק שהאות מגיע לפיזואקרמיקה מבלי להעלות על המכשיר. להגדרות דוגמה, ראו איור משלים 4B. תדר המתח שנוצר מתייחס מהמגבר הנעיל. לוודא שהפלט כבוי לפני החלפת לידים; הפעלת פלט רק לאחר אבטחת כל החיבורים החשמליים.
  10. השב את אפליקציית הרכישה ובחר את ערוץ המדידה המתאים ליציאת הנעילת X. הזן פרמטרים תואמים לחומרה (קבוע זמן וקצב דגימה) וציין את נתיב קובץ הטקסט לשמירת הנתונים.
  11. הגדר את טווח הספקטרום (אורך גל או אנרגיית פוטון) ואת גודל שלב המונוכרומטור בהתאם למגבלות המכשיר.
    הערה: רצוי טווח רחב מספיק כדי שקו הבסיס של הספקטרום יגיע לאפס מחוץ לטווח המעברים האופטיים הצפויים. זכור שהרזולוציה הספקטרלית של המדידות תלויה ברוחב החריץ של המונוכרומטר.
  12. התחל את הסריקה ואפשר לה להמשיך ללא הפסקה עד סוף הטווח המתוכנת. הערך את משך הזמן הכולל כ-(מספר שלבים) x (קבוע זמן) ותכנן בהתאם. אל תקטע את הסריקה ברגע שהיא התחילה; נדרש רכישה רציפה לסינון נעילה עקבי.
  13. לאחר סיום העבודה, כבה את גנרטור מתח ה-AC מבלי להפריע למיקום הדגימה. המשך במדידת ההחזר (R).

5. מדידת רכיב החזרת DC נוסף (R) באמצעות מצב נעילה מונחה על ידי צ'ופר

  1. וודא שגנרטור מתח ה-AC נשאר כבוי.
  2. אל תשנה את מיקום הקרן על הדגימה. אם המיקוד לא ודאי, שלח את הקרן לתצוגת ה-CCD, מיקוד מחדש ומרכז מחדש את הנקודה, ואז החזר את מסלול האות לפוטודיודה.
  3. הפעל את הצ'ופר האופטי עם הבקר שלו והגדר את התדר שלו שווה לתדר המודולציה ששימש בעבר (למשל, 280 הרץ). ודאו שפלט הייחוס של הצ'ופר מחובר לקלט הייחוס הנעילה. להגדרות דוגמה, ראו איור משלים 4A.
  4. שמור על הגדרות הקדם-מגבר ללא שינוי. במגבר הנעילה, בחר את תצוגת R (החזרה מופנית), בחר את בקר הצ'ופר כמקור ייחוס חיצוני, והגדר פרמטרי קלט זהים לסעיף 4. כוונן את קבוע הזמן (למשל, 0.1 שנייה ל-0.3 שנייה טיפוסי) ואת הרגישות כדי לשמור על אות יציב. להגדרות דוגמה, ראו איור משלים 3B.
    הערה: צפו לקבועי זמן קצרים יותר ולערך אות גבוה יותר עבור R בהשוואה ל-ΔR.
  5. ביישום הרכישה, בחר בערוץ R נעול ומשקף את הגדרת הזמן הקבועה של נעילה. הגדר נתיב חדש לקובץ הטקסט הפלט. קבצי שמות לקידוד הדגימה, המיקום על הדגימה, ופרמטרי הרכישה כך שניתן להתאים את מערכי הנתונים של סעיף 4 (ΔR) וסעיף 5 (R) כזוגות.
  6. הגדר את אותו טווח ספקטרום וגודל שלב מונוכרומטור כפי שנעשה בסעיף 4 עבור אותו מקום בדגימה. התחילו את הסריקה והריצו אותה לסיום.
  7. לאחר סיום הטיפול, כבה את המסוק. אם לא מתוכננים מדידות נוספות באותו יום, כבה את מקור האור, המונוכרומטור ומכשירים נוספים.

6. ניתוח ספקטרום הפיזורפלקטנס (ΔR/R)

  1. פתח את שני קבצי הטקסט שנאספו בסעיף 4 ובסעיף 5 בתוכנות ניתוח נתונים המסוגלות לשרטוט ועיבוד נתונים (למשל, OriginLab).
  2. סמנו את מערכי הנתונים לבהירות (למשל, PzR עבור ΔR מסעיף 4 ו-R עבור השתקפות מסעיף 5). צייר את אות PzR מול אנרגיית הפוטון או אורך הגל בצירים מתאימים; עדיף את אנרגיית הפוטון (eV) בציר ה-x.
  3. אם קו הבסיס של PzR סוטה מאפס מחוץ למעברים הצפויים, יש לבצע חיסור בקו ישר או קו בסיס כדי לאפס את האזורים הלא רזוננטיים. תעד את פרמטרי הפעולה שבהם השתמשו.
  4. חשב ΔR/R על ידי חלוקת נתוני PzR מתוקנים בבסיס בנתוני R נקודה אחר נקודה. שמור את ה-ΔR/R שנוצר כמערך נתונים חדש.
  5. צייר ΔR/R מול אנרגיית פוטון כדי להמחיש תהודות במעברים אופטיים. בדוק את הספקטרום לתכונות התואמות מעברים ידועים של החומר.
  6. התאמת ΔR/R באמצעות פורמליזם צורת הקו של אספנס12 (משוואה 1) להפקת אנרגיות מעבר והרחבות. דווח על פרמטרי ההתאמה ואי-הוודאויות.
    figure-protocol-6
    כאשר y0 – רמת בסיס (הקו השטוח של הספקטרום ליד התהודה), a, b – מונחים בסיסיים ליניאריים/ריבועיים אופציונליים לספיגת סטייה/עקמומיות איטית (משתמשים רק במידת הצורך), θ – פאזה תהודה, Eg – אנרגיית מעבר (מיקום שיא), Γ – רוחב קו/הרחבת מעבר, C – משרעת תהודה, m – מעריך נקודה קריטית, j – אינדקס מעבר.
    הערה: עבור תכונות אקסיטוניות בדידות, השתמשו ב-m = 2; לנקודות קריטיות בין-רצועות, השתמשו ב-m = 2.5 או m = 3. בתרגול שלנו, בטמפרטורה נמוכה אנו בדרך כלל קובעים m = 2; עבור T > 100 K, נקבע m = 2.5. פרמטר זה תלוי גם בחומר הנחקר.
    1. בחר את חלון התהודה. סמן טווח התאמה שמגן בצורה נקייה על התכונה ומכיל קטעים קצרים עם תהודה נמוכה משני הצדדים.
    2. הנה ניחושים ראשוניים חזקים של פרמטרי ההתאמה. בדיאלוג ההתאמה, מלא מראש את הפרמטרים שניתן לקרוא, לדוגמה, Eg – מהקצה של ציר x; y0 – מהקו הבסיס המקומי בציר y; C – מהמשרעת מהשיא לשיא; m – לפי הכלל לעיל; A, B – מוגדר כאפס, פתח רק אם צריך לתיקון צורת קו התאמה. נעול את כל הפרמטרים חוץ מ-y0.
    3. שחרור איטרטיבי את פרמטרי ההתאמה (אחד אחד):
      שחרור C → התאמה
      שחרר θ → התאמה
      פתח Γ → התאמה
      פתיחהלמשל התאמה →
      זה יוביל ליישור הדק הסופי. רק אם נותרה שיפוע/עקמומיות שאריתית, פותח את a ואז b; אחרת, יש לשמור על a = b = 0.
      הערה: גבולות שמייצבים התכנסות: Γ ∈ [5, 300] meV; θ ∈ [−π, π]; C > 0; למשלבתוך ± 50 meV מהקיצוניות הראייה; y0 בתוך ± 2× שורש הריבוע הממוצע (RMS); שמור על ∣a∣ ו-∣b∣ קטנים (רק קו בסיס).
    4. קבל את ההתאמה כאשר: השאריות הן חסרות מבנה סביב אפס בתוך החלון; הפרמטרים משתנים ב-<1% עם שינוי קטן בחלון; וההתאמה מחדש מזרעים מופרעים מחזירה את אותה תמיסה.
  7. חשב את המודול לכל מעבר ישיר באמצעות משוואה 2.
    figure-protocol-7
    הערה: האינדקס j מסמן כל נקודה/מעבר קריטית במודל (למשל, j = 1 עבור האקסיטון A, j = 2 עבור האקסיטון B, j = 3 עבור תכונה אינטרבנד באנרגיה גבוהה יותר, וכו'). לכל j יש פרמטרים מותאמים משלו (Ej, Γj, mj, Cj, θj); רק המודולוס |Cj∣ נכנס למשוואה 2, ולכן Δρj הוא בלתי תלוי בפאזה.
    1. חשב Δρj(E) עבור כל מעבר מותאם עם פרמטרים (Ej, Γj, mj, Cj) שנלקחו מהתאמת Aspnes (TDFF) (סעיף 6.6). גרף Δρj(E) (ואם צריך, סך Δρ(E) = ∑jΔρj(E)) כדי להשוות את עוצמות המעבר בין דגימות או תנאים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

פיזורפלקטנס נעילה (PzR) מניב חתימות דמויות נגזרות במעברים אופטיים ישירים על פני מערך רחב של גבישי ואן דר ואלס (vdW) ומבנים מיקרו-מוליכים למחצה. איור 6 מציג את התפוקה הגולמית הטיפוסית מנקודה אחת ב-WS₂ שנרכשה עם זרימת העבודה בחלקים 4–6: החזר AC מודולציית עיוות ΔR, רכיב DC ייחוס פרופורציונלי להחזרה R (איור 6A), ויחס מתוקן קו בסיס ΔR/R (איור 6B). עם דיסק פיזוקרמי (עובי TH = 1 מ"מ, OD = 30 מ"מ) המונע בתדרים של 280 הרץ ו-100 וולט,...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

כאן נציג ספקטרוסקופיית פיזורפלקטנס (PzR) עבור גבישי ואן דר ואלס, פרוטוקול המשתמש בעיוות מחזורי מממיר פיזוקרמי ליצירת ספקטרום החזרה דמויי נגזרות ולבודד נקודות קריטיות עם ניגודיות גבוהה. בהשוואה לניגודיות רפלקרטנס (RC), השיטה מחדדת תהודות חלשות או חופפות ומרחיבה למקרים שבהם RC מספק ניגודיות עמומה, תוך שמירה על מסלול אופטי רחב פס יחיד ותאימות ממונולייר לנפח; הפשרות העיקריות הן היעדר כיול עומס מוחלט וזמני רכישה ארוכים יותר.

כל המדידות כאן בוצעו בתצורה האפלה

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

מחקר זה נתמך על ידי מענק מהמרכז הלאומי למדע של פולין (PRELUDIUM BIS 4,

פרויקט מס' 2022/47/O/ST3/01965).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
אצטון (דרגת ניתוח)Sigma-Aldrich / Merck650501
מצלמת CCDלמשל. Hamamatsu Photonics / Princeton Instruments / ThorlabsN/A
מחשב עם תוכנת שליטה ואיסוף נתונים (למשל, LabVIEW)National Instruments / הגדרה מותאמת אישיתN/A
מגבר תהודה מנעול DSPStanford Research Systems (SRS)SR810
נורת הלוגן EKE, 150 וואט 21 V (בסיס GX5.3)OSRAM93638משמש כנורה חלופית למאייר הסיבים Thorlabs OSL1-EC Fiber Illuminator.
סרט ג'ל-פילם מבוסס PDMS, סרט ויסקואלסטי, גיליון 4.0″×4.0″Gel-PakWF-40×40-0060-X4
מקור אור סיבים עוצמתי (נורת הלוגן) - 150 וואטThorlabsOSL1-EC הדגם מופיע כמחוסר (מוחלף על ידי OSL2) החל מ-07 בינואר 2014.
מחולל אות מלבני במתח גבוהמיוצר בהתאמה אישית במעבדה שלנוHVG-3
מגבר זרם רעש נמוךStanford Research Systems (SRS)SR570
עדשת אובייקטיב M Plan APO NIR 50×Mitutoyo Corporation378-825-17ניתן להשתמש גם בעדשות אחרות עם הגדלה מתאימה והעברה ספקטרלית, בהתאם להגדרה האופטית.
מונוכרומטור / ספקטרוגרף דימות, אורך מוקד 320 מ"מ - Zolix Omni-λ300iZolix Instruments Co., Ltd.Omni-λ300i
בקר מנפנף אופטיStanford Research Systems (SRS)SR540
רכיבים אופטומכניים ואופטיים (עדשות, מראות, אישונים, מנפנף אופטי, מפצלי קרן, סיבים אופטיים ומתלים)Thorlabs / מיוצר בהתאמה אישיתשונים
דיסק קרמיקה פיזואלקטרית (Ø30 × 1 מ"מ, PZT-5O, אלקטרודות כסף)He-Shuai Ltd.N/A
סרט חדר נקי עם הגנה על פני PVC דבק נמוך (כחול)אספקת חדר נקיN/A
פוטודיודת PIN סיליקוןלמשל. Hamamatsu Photonics / Thorlabs N/Aניתן להשתמש בסוגים אחרים של גלאי פוטונים בהתאם לטווח הספקטרלי המעניין.
לכה מוליכה כסוף (“Leitlack”)Busch GmbH & Co. KG5900
לכה ציפורניים שקופהRevlon, Inc.N/Aמשמשת כשכבת דבק לקיבוע פתיתי vdW. ניתן להשתמש בלכה ציפורניים שקופה אחרת בעלת הרכב דומה כחלופה.
גופרית טונגסטן (WS2), CAS 12138-09-9HQ GrapheneN/Aחומר מדגם

מקורות

  1. Gavini, A., Cardona, M. Modulated piezoreflectance in semiconductors. Phys Rev B. 1, 672(1970).
  2. Dumcenco, D. O., et al. Piezoreflectance and Raman Characterization of Mo1−xWxS2 Layered Mixed Crystals. Solid State Phenomena. 170, 55-59 (2011).
  3. Zheng, J. Y., Lin, D. Y., Huang, Y. S. Piezoreflectance study of band-edge excitons of res2:au. Jpn J Appl Phys. 48, 0523021-0523025 (2009).
  4. Wu, Y. J., et al. Piezoreflectance study of near band edge excitonic-transitions of mixed-layered crystal Mo(SxSe1-x)2 solid solutions. J Appl Phys. 115, 223508(2014).
  5. Sigiro, M., Huang, Y. S., Ho, C. H., Lin, Y. C., Suenaga, K. Influence of rhenium on the structural and optical properties of molybdenum disulfide. Jpn J Appl Phys. 54, 04DH05(2015).
  6. Kopaczek, J., et al. Direct optical transitions at K- and H-point of Brillouin zone in bulk MoS2, MoSe2, WS2, and WSe2. J Appl Phys. 119, 235705(2016).
  7. Kopaczek, J., et al. Strain Modulation in van der Waals Crystals Directly Exfoliated onto Piezoceramics─Application in Micropiezoreflectance Spectroscopy. ACS Appl Electron Mater. 6, 7857-7864 (2024).
  8. Ruppert, C., Aslan, O. B., Heinz, T. F. Optical Properties and Band Gap of Single-and Few-Layer MoTe2 Crystals. Nano Lett. 14, 6231-6236 (2014).
  9. Niu, Y., et al. Thickness-Dependent Differential Reflectance Spectra of Monolayer and Few-Layer MoS2, MoSe2, WS2 and WSe2. Nanomaterials. 8, 725(2018).
  10. CARDONA, M. Optical Properties and Electronic Density of States. J Res Natl Bur Stand A Phys Chem. 74A, 253(1970).
  11. Misiewicz, J., Sitarek, P., Sęk, G., Kudrawiec, R. Semiconductor heterostructures and device structures investigated by photoreflectance spectroscopy. Mater Sci. 21 (3), 263-318 (2003).
  12. Aspnes, D. E. Third-derivative modulation spectroscopy with low-field electroreflectance. Surf Sci. 37, 418-442 (1973).
  13. Misiewicz, J., Sęk, G., Sitarek, P. Photoreflectance spectroscopy applied to semiconductors and semiconductor heterostructures. Optica Appl. 29, 327-363 (1999).
  14. Aspnes, D. E. Analysis of modulation spectra of stratified media. JOSA. 63 (11), 1380-1390 (1973).
  15. Philipp, H. R., Dash, W. C., Ehrenreich, H. Piezoreflectance in Ge. Phys Rev. 127, 762-765 (1962).
  16. Pollak, F. H., Cardona, M. Piezo-Electroreflectance in Ge, GaAs, and Si. Phys Rev. 172, 816(1968).
  17. Merski, J., Eckhardt, C. J. Piezomodulation spectroscopy of molecular crystals. I. Methods and principles. J Chem Phys. 75, 3691-3704 (1981).
  18. Mathieu, H., Allègre, J., Gil, B. Piezomodulation spectroscopy: A powerful investigation tool of heterostructures. Phys Rev B. 43, 2218(1991).
  19. Yu, C. H., et al. Multiple confined-state transitions within surface quantum dots by a piezomodulation reflectance study. Phys Status Solidi (A) Appl Mater Sci. 204, 1171-1177 (2007).
  20. Engeler, W. E., Fritzsche, H., Garfinkel, M., Tiemann, J. J. High-Sensitivity Piezoreflectivity. Phys Rev Lett. 14, 1069(1965).
  21. Garfinkel, M., Tiemann, J. J., Engeler, W. E. Piezoreflectivity of the Noble Metals. Phys Rev. 148, 695(1966).
  22. Sell, D. D., Kane, E. O. Piezoreflectance of Germanium from 1.9 to 2.8 eV. Phys Rev. 185, 1103(1969).
  23. Gerhardt, U., Beaglehole, D., Sandrock, R. Piezo-Optical Constants, Deformation Potentials, and the Electronic Structure of Copper. Phys Rev Lett. 19, 309(1967).
  24. Balslev, I. Apparatus for Combined Static and Dynamic Uniaxial Stress. Rev Sci Inst. 38, 1528-1529 (1967).
  25. Sell, D. D. Review of piezomodulation spectroscopy. Surf Sci. 37, 896-913 (1973).
  26. Sebayang, K., Sigiro, M. Piezoreflectance study of Nb-doped MoS2 single crystals. IOP Conf Seri Mater Sci Eng. , Institute of Physics Publishing. (2017).
  27. Kopaczek, J., et al. Experimental and Theoretical Studies of the Electronic Band Structure of Bulk and Atomically Thin Mo1- xW xSe2Alloys. ACS Omega. 6, 19893-19900 (2021).
  28. Gerhardt, U. Piezoreflectance in Si. Phys Lett. 9, 117-118 (1964).
  29. Kopaczek, J., et al. Temperature Dependence of the Indirect Gap and the Direct Optical Transitions at the High-Symmetry Point of the Brillouin Zone and Band Nesting in MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, and WSe2Crystals. J Phys Chem C. 126, 5665-5674 (2022).
  30. Kudrawiec, R., Misiewicz, J. Photoreflectance and contactless electroreflectance measurements of semiconductor structures by using bright and dark configurations. Rev Sci Instrum. 80, 096103(2009).
  31. Piezoceramic Materials. , PI Ceramic GmbH. https://www.piceramic.com/en/expertise/piezo-technology/piezoelectric-materials (2026).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים