Spettroscopia di piezoriflettanza delle transizioni ottiche nei cristalli stratificati di van der Waals

La mia ricerca ha sviluppato la spettroscopia piezoriflettante per identificare transizioni ottiche dirette in semiconduttori stratificati e comprendere i cambiamenti spettrali guidati dalla deformazione. Questo metodo è adatto per studi ottici su scala micrometrica di semiconduttori stratificati, inclusi cristalli di van der Waals a strato grosso e poco. Per cominciare, si ottiene il materiale di massa di un cristallo di van der Waals come disolfuro di tungsteno o WS2 per la caratterizzazione ottica.

Diluisci il materiale tagliandolo ripetutamente con nastro adesivo fino a raggiungere lo spessore preferito. Trasferire i frammenti sottili dal nastro a un timbro polidimetilsilossano, o PDMS, posizionando il timbro sul nastro. Dopo circa cinque minuti, spegna il PDMS in modo che le scaglie trattenute sul PDMS possano essere usate per il trasferimento successivo.

Pulisci la superficie piezoceramica risciacquandola con acetone e asciuga la superficie usando aria pulita e secca o azoto. Applica uno strato molto sottile di un mezzo adesivo sulla piezoceramica. Posiziona immediatamente il PDMS, portando la scheggia sull'adesivo umido sulla piezoceramica.

Premi delicatamente per assicurarti il contatto. Aspetta circa 30 secondi e stacca il PDMS in modo che il materiale rimanga sulla piezoceramica. Verifica l'adesione tramite ispezione visiva o conferma al microscopio ottico se necessario.

Applicare una pasta d'argento per fissare la piezoceramica e posizionare la piezoceramica preparata contenente il campione trasferito sul palco per garantire il contatto elettrico con gli elettrodi inferiori della piezoceramica. Forma il contatto elettrico superiore usando pasta d'argento e filo di rame. Dopo aver applicato la pasta d'argento, lasciala asciugare e polimerizzare a temperatura ambiente per circa 10 ore prima di procedere.

Poi inserisci il campione montato nell'impianto ottico. Collega gli elettrodi al generatore di corrente alternata o a tensione AC e a terra tramite fili isolati. Tieni tutti i conduttori esposti isolati e posizionati lontano dal percorso ottico.

Accendi la sorgente luminosa alogena e impostala su massima emissione. Assicurati che il chopper ottico non stia ostruendo la fessura d'ingresso del monocromatico. Instradare il fascio verso la telecamera del dispositivo accoppiato a carica e allineare il punto sulla regione selezionata del campione utilizzando i microcontrollori XYZ.

Poi regola l'apertura del diaframma dell'iride per impostare il diametro del punto sul campione. Commuta il percorso del segnale dall'anteprima del dispositivo a coppie di carica al rilevatore di fotodiodo a pin di silicio rimuovendo lo splitter del fascio dal percorso ottico. Successivamente, configura il preamplificatore impostando la tensione di polarizzazione, il tipo di filtro e il cutoff.

Offset di ingresso, modalità guadagno e sensibilità per ottenere un segnale stabile senza saturazione. Documenta i valori selezionati. Configura l'amplificatore di lock-in per visualizzare il componente X in fase X.

Imposta la frequenza di riferimento per il generatore di tensione AC e seleziona la sorgente di riferimento interna. Poi scegli una costante di tempo e una sensibilità adeguate. Attiva il generatore di tensione AC e imposta l'ampiezza desiderata.

Verifica che il segnale raggiunga la piezoceramica senza sovraccaricare il dispositivo. Avvia l'applicazione di acquisizione e seleziona la modalità di misura corrispondente all'output di blocco X. Inserisci parametri hardware coerenti, inclusa una costante temporale che rappresenta la frequenza di campionamento, e specifica il percorso verso il file di testo in uscita per salvare i dati.

Definire l'intervallo spettrale in lunghezza d'onda o energia del fotone e impostare la dimensione del passo del monocromatico secondo i limiti dello strumento. Inizializza i dispositivi, avvia la scansione e lascia che continui ininterrotta fino alla fine dell'intervallo programmato. Stimare la durata totale moltiplicando il numero di passi per la costante di tempo e pianificare di conseguenza.

Dopo il completamento, spegni il generatore di tensione AC senza disturbare la posizione del campione. Conferma che il generatore di tensione AC sia ancora spento. Mantieni la posizione del fascio sul campione senza alterazioni.

Per garantire che la messa a fuoco sia mantenuta, invoglia il fascio verso l'anteprima del dispositivo a carico accoppiato. Rifocalizza e ricentra il punto. Poi riporta il percorso del segnale al fotodiodo.

Avvia il chopper ottico usando il suo controller e imposta la frequenza uguale alla frequenza di modulazione precedentemente utilizzata. Verifica che l'uscita di riferimento del chopper sia collegata all'ingresso di riferimento lock-in. Configura l'amplificatore lock-in per mostrare la riflettanza di riferimento R e seleziona il controller chopper come sorgente di riferimento esterna.

Regola la costante di tempo e la sensibilità per mantenere un segnale stabile mantenendo invariate le impostazioni del preamplificatore. Nell'applicazione di acquisizione, seleziona la modalità di misura che rappresenta il canale R di lock-in. Abbina la costante di tempo all'impostazione di lock-in e definisci un nuovo percorso di file di testo in uscita.

Nomina i file per codificare il campione, la posizione e i parametri di acquisizione per l'accoppiamento dei set di dati. Imposta la stessa gamma spettrale e la stessa dimensione del passo monocromatore usate durante la misurazione della componente delta R per quel punto sul campione. Inizia la scansione e lascia che finisca completamente.

Dopo aver completato, spegni l'elicottero ottico. Se non sono previste ulteriori misurazioni, spegni la sorgente luminosa, il monocromatore e gli altri strumenti. Dopo aver etichettato i set di dati, calcolare e tracciare il delta normalizzato R diviso per lo spettro R rispetto all'energia dei fotoni per identificare le transizioni ottiche.

Infine, si adatta lo spettro utilizzando il modello della forma della linea di Aspnes selezionando un intervallo energetico che includa la risonanza, raffinando iterativamente i parametri e validando l'adattamento in base ai residui e alla stabilità. La componente AC modulata in deformazione delta R e la componente DC proporzionale alla riflettanza R sono state misurate per un singolo punto nel disolfuro di tungsteno. La linea di base corretto Delta R divisa per lo spettro R mostrava chiare risonanze esotoniche.

L'adattamento di terza derivata di Aspnes riproduceva il delta R diviso per lo spettro R. Il modello era scomposto in quattro componenti e la loro somma era mostrata da una linea tratteggiata. La forma della linea delta R è stata mantenuta mentre l'ampiezza aumentava monotonamente con l'aumento della tensione in corrente alternata da 100 a 1.200 volt.

Le grandezze di picco a energie selezionate si scalavano linearmente con l'ampiezza di tensione applicata. Aumentare la costante di tempo di bloccaggio da tre secondi a 10 secondi e 30 secondi ridusse il rumore ad alta frequenza e rivelò caratteristiche più deboli nel dissolfuro di molibdeno. Permette ai ricercatori di rilevare transizioni ottiche dirette e reattive alla deformazione in quei materiali con sensibilità aumentata.

La sfida principale è massimizzare il rapporto segnale/rumore garantendo al contempo un trasferimento efficiente della deformazione e un montaggio stabile del campione per misurazioni ottiche affidabili. Studi futuri potranno estendere questo metodo a monostrati e eterostrutture per esplorare gli effetti di deformazione e le transizioni ottiche in sistemi più complessi.