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科学新知:2021 Adv. Sci. 综观二维材料的光学检测,促进下一代材料器件的发展

  Advanced Science (IF 16.808) 在2021年10月刊登了台湾大学Hsuen-Li Chen等人的研究。光学检测是一种快速且无损的表征二维(2D)材料特性的方法。借助光学检测具备可实时且大量监测的优势,产业实施大规模检测2D材料特性的目标已非遥不可及,进一步加速2D材料的量产与相关生产设备的发展,均已取得长足的进步。此篇研究回顾了几个重要的2D材料的结构特性,包括石墨烯、过渡金属二硫属化物 (TMDC,如:MoS2)、六方氮化硼 (h-BN)III族单硫族化物、黑磷 (BP)IV族单硫属化物,并讨论如何将它们使用合适的光学检测技术进行准确探测。

  文中作者总结了这些光学检测技术的主要特征 (见表1)。根据它们的基本功能,可以分为四类。

第一,光谱学 (optical spectroscopy, OS)、光谱椭偏仪 (spectroscopic ellipsometry, SE)、FTIR光谱学和X射线光谱 (X-ray spectroscopy, XRS) 包括X射线散射/衍射/反射率是可被用于从各种2D材料获得宽带或全向光谱的技术。

第二,拉曼 (Raman) 和PL光谱是强大的技术,可提供有关2D材料精细结构特征的丰富信息。

第三,s-SNOM、nano-FTIR和AFM-IR光谱方法是基于AFM的技术,因此它们可以实现最高的空间分辨率。

第四,单光子发射 (single-photon emission)、TRPL和泵浦探针光谱 (pump-probe spectroscopy, PPS) 为表征2D材料提供了与时间相关的光学特征;可以获得有关载流子动力学的信息,包括载流子-光子、载流子和载流子-声子相互作用。

  表1中的”勾号(✓)”,表示此类结构特性或特性可以被检查并易于量化;”三角标记(Δ)”是指这些特性会影响从光学检测技术中获得的信号,但它们的量化是不可能的或仍需要进一步研究;”空白单元”则表示之前没有报导过关于使用光学检测技术来检测2D材料中的此类特性的研究。

table probing 2D materials optical inspection techniques

表1:用于探测二维材料的光学检测技术的特点。

  此外,作者描述了将光学检测应用于最近开发的2D材料时,从机械剥离到晶圆级生长的2D材料,所面临的挑战和机会。最重要的是,作者总结了可用于大量和精确地增强来自2D材料的光信号的技术。希望藉全面的回顾,可在开发新型2D材料设备方面取得更大进展。

widely studied 2D materials optical inspection

最广泛研究的2D材料的示意图。

doping-related optical properties

2D材料的掺杂相关光学特性。(g)当p型掺杂的MoS2的PL光谱越来越受激子发射 (X0) 的支配,它具有更高的辐射量子效率和更高的发射能量,并且随着p型掺杂浓度的增加,trion发射的光谱权重 (IX- /Ittotal)降低。

本文关键词:2D材料、2D Material、光学检测、optical inspection、量子效率、quantum efficiency

原文: https://doi.org/10.1002/advs.202102128

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