Двумерный дисульфид рения показал неожиданные оптические метаморфозы

Исследование опубликовано в журнале Advanced Optical Materials. ReS₂ — ван-дер-ваальсовый кристалл, который имеет слоистую структуру. Он существует в двух фазах AA и AB, которые отличаются разным расположением одинаковых монослоев друг над другом. Эти фазы имеют различные оптические и электронные свойства. В научной литературе данные о фазах ReS₂ противоречивы. В данной работе исследователи поставили перед собой задачу разъяснить эти противоречия — экспериментально изучить и теоретически обосновать оптические свойства этих фаз, достоверная информация о которых позволит применять ReS₂ в приложениях для оптоэлектроники и нелинейной оптики.

«Наша работа показала, в чем состояли эти противоречия: в предыдущих экспериментах использовались материалы смешанной фазы, то есть часть материала была укомплектована в фазе AA, а другая — в фазе AB. В данной работе наши коллеги смогли произвести качественное изготовление чистых фаз ReS₂ различных атомарных толщин и проделать системные измерения их оптических свойств методами комбинационного рассеяния, фотолюминесценции и генерации второй гармоники, что позволило разъяснить литературные противоречия.

В дальнейшем наше исследование поможет производить качественную “сборку” гетероструктур на основе AA и AB ReS₂, учитывая их разные электронно-оптические характеристики для разработки современных оптических и электронных устройств на основе двумерных материалов», — прокомментировал Кравцов Константин, младший научный сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ.

Укладка слоёв существенно влияет на динамические, электронные и оптические свойства материала. Спектры комбинационного рассеяния, или Раман-спектры, различны у AA и AB фаз. Это значит, что каждая фаза имеет собственные частоты колебаний, то есть динамические свойства. В спектрах люминесценции AA фазы кристалла наблюдается два интенсивных максимума, независимо от числа слоев. В AB фазе проявляются пять максимумов, интенсивность которых зависит от четности слоев в кристалле, что объясняется более сильной связью в AB по сравнению с AA-фазой.

Для более детального анализа ученые провели измерения оптических свойств ReS₂ при криогенных температурах. Благодаря этому им удалось разделить перекрывающиеся близлежащие пики в спектрах фотолюминесценции. Это важно для понимания устройства экситонов в материале. Экситон — это квазичастица, которая является связанным состоянием электрона и дырки. Исследователи обнаружили два дополнительных Ридберговских экситона довольно малой интенсивности в AA-фазе, которых не наблюдаются в AB. Эти экситоны характеризуются большими размерами и высокоэнергетическими состояниями, напоминающими атомные орбитали водорода.

Для экспериментального определения упаковки слоев ReS₂ исследовались нелинейные оптические свойства этих материалов, а именно генерация второй гармоники. Данное свойство для материалов с центром инверсии равна нулю. Это свойство позволило легко отличить AA-фазу от AB, а в AB-фазе — нечётное количество слоёв от четного. Структура в AA-фазе и AB-фазе с нечетным количеством слоев обладает центром инверсии. Эти структуры не дают сигнала при измерении генерации второй гармоники. Кристалл в AB-фазе, состоящий из четного числа слоев, имеет отклик.

Оптические свойства образцов с толщиной больше 50 нм значительно отличаются от характеристик структур, состоящих из небольшого количества слоев. Это значит, что объемные образцы ReS₂ нельзя рассматривать в виде обычной суперпозиции отдельных монослоев. Этот вывод опровергает распространенное представление, использовавшееся в предыдущих исследованиях.

В ходе работы экспериментально измеренные свойства валидировались расчетами в рамках теории функционала плотности. В связи с высокими требованиями к вычислительным ресурсам физики ограничились расчетом структур ReS₂, состоящих от одного до пяти слоев, в то время как в экспериментальные измерения были выполнены вплоть до 13 слоев.

«В будущем мы планируем выделить бОльшие мощности для проведения более точных расчётов в рамках уравнения Бете—Солпитера, которые помогут глубже понять квантово-механическую природу разного экситонного отклика данных фаз, а также зависимость его от чётности числа слоев в AB ReS₂», — поделился Круглов Иван, заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ.

В работе участвовали ученые из лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Индийского технологического института, Индийского института науки и Ереванского государственного университета.

ФизТех

460 статей

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.

Показать больше