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科學新知:2021 Adv. Sci. 綜觀二維材料的光學檢測,促進下一代材料元件的發展

  Advanced Science (IF 16.808) 在2021年10月刊登了台灣大學Hsuen-Li Chen等人的研究。光學檢測是一種快速且無損的表徵二維 (two-dimensional, 2D) 材料特性的方法。借助光學檢測具備可即時且大量監測的優勢,產業實施大規模檢測2D材料特性的目標已非遙不可及,進一步加速2D材料的量產與相關生產設備的發展,均已取得長足的進步。此篇研究回顧了幾個重要的2D材料的結構特性,包括石墨烯、過渡金屬二硫屬化物 (TMDC,如:MoS2)、六方氮化硼 (h-BN)、III族單硫族化物、黑磷 (BP)和IV族單硫屬化物,並討論如何將它們使用合適的光學檢測技術進行準確探測。

  文中作者總結了這些光學檢測技術的主要特徵 (見表1)。根據它們的基本功能,可以分為四類。

第一,光譜學 (optical spectroscopy, OS)、光譜橢偏儀 (spectroscopic ellipsometry, SE)、FTIR光譜學和X射線光譜 (X-ray spectroscopy, XRS) 包括X射線散射/衍射/反射率是可被用於從各種2D材料獲得寬帶或全向光譜的技術。

第二,拉曼 (Raman) 和PL光譜是強大的技術,可提供有關2D材料精細結構特徵的豐富信息。

第三,s-SNOM、nano-FTIR和AFM-IR光譜方法是基於AFM的技術,因此它們可以實現最高的空間分辨率。

第四,單光子發射 (single-photon emission)、TRPL和泵浦探針光譜 (pump-probe spectroscopy, PPS) 為表徵2D材料提供了與時間相關的光學特徵;可以獲得有關載流子動力學的信息,包括載流子-光子、載流子和載流子-聲子相互作用。

  表1中的”勾號(✓)”,表示此類結構特性或特性可以被檢查並易於量化;”三角標記(Δ)”是指這些特性會影響從光學檢測技術中獲得的信號,但它們的量化是不可能的或仍需要進一步研究;”空白單元”則表示之前沒有報導過關於使用光學檢測技術來檢測2D材料中的此類特性的研究。

table probing 2D materials optical inspection techniques

表1:用於探測二維材料的光學檢測技術的特點。

  此外,作者描述了將光學檢測應用於最近開發的2D材料時,從機械剝離到晶圓級生長的2D材料,所面臨的挑戰和機會。最重要的是,作者總結了可用於大量和精確地增強來自2D材料的光信號的技術。希望藉全面的回顧,可在開發新型2D材料設備方面取得更大進展。

widely studied 2D materials optical inspection

最廣泛研究的2D材料的示意圖。

doping-related optical properties

2D材料的摻雜相關光學特性。(g)當p型摻雜的MoS2的PL光譜越來越受激子發射 (X0) 的支配,它具有更高的輻射量子效率和更高的發射能量,並且隨著p型摻雜濃度的增加,trion發射的光譜權重 (IX- /Ittotal)降低。

本文關鍵字:2D材料、2D Material、光學檢測、optical inspection、量子效率、quantum efficiency

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

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