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Raman and photoluminescence studies on few-layer MoS2 : Substrate and electric field effects

  • 김강원 (서강대학교 일반대학원)

초록/요약

We studied the effects on the optical properties of few-layer molybdenum disulfide (MoS2) due to external perturbations through Raman and photoluminescence (PL) measurements. First, we investigated the substrate effects by comparing Raman and PL spectra of suspended and supported few-layer MoS2. In few-layer MoS2, the large exciton binding energy is attributed to strong Coulomb interaction due to reduced screening in the surrounding dielectrics. We found that the difference in the dielectric environment of suspended and supported MoS2 does not lead to large differences in the PL or Raman spectra. We observed a slight peak shift of the A exciton and enhancement of the indirect PL peak in suspended samples. Most of the apparent difference in the PL intensity can be explained by the interference effect except for the case of monolayer MoS2. The positions of the Raman peaks are not much different between suspended and supported MoS2. The relative intensities, on the other hand, show some differences between suspended and supported samples. We also carried out electric field-dependent Raman and PL measurements on mono- and bi-layer MoS2 by using the ion-gel technique. The exciton energies of MoS2 are tunable by an external electric field (E-field). By applying a topgate voltage (Vtg) through ion-gel, we generated a controllable E-field in the MoS2 device. In the PL spectrum, we observed redshifts of exciton energies when Vtg was increased. For Raman measurements, the resonance effects, such as peak enhancements and appearance of second-order modes, were stronger for negative Vtg. Therefore, we conclude that the resonance behaviors, which is observed in the resonance Raman spectrum with the 1.96 eV excitation energy, are related with the A exciton.

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초록/요약

이황화 몰리브덴(MoS2)은 반도체의 특성을 가지고 있는 2차원 물질로서 주목을 받고 있다. 적당한 밴드갭 에너지를 가지고 있기 때문에 이 물질을 응용한 전계효과 트랜지스터와 광소자에서 우수한 효율을 보여주고 있다. 반도체 소자로서 활용되기 위해서는 Si 기판의 유무와 외부 전기장 등의 외부 환경에 따른 물리적 특성의 변화에 대해 이해하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 라만 분광학과 발광(Photoluminescence) 분광학을 이용하여, MoS2 박막의 광학적 특성이 외부 환경에 따라 어떻게 변화하는지에 대해 알아보았다. 우선, 구멍이 뚫린 Si 기판을 제작한 후, 그 기판 위에 기계적 박리법을 이용하여 MoS2 박막 시료를 제작하고, Si 기판이 없는 부분(suspended)과 Si 기판이 있는 부분(supported)의 라만과 발광 신호를 측정하여, 기판에 의한 효과를 알아보았다. Si 기판의 유무에 따라 발생하는 주변 유전율 변화에 의한 광학적 특성의 차이는 크게 보이지 않았다. Si기판이 없는 부분의 큰 발광 신호는 층간 경계에서의 간섭 효과로 설명된다. 라만 측정에서는 라만 신호의 위치는 큰 차이가 없었고, 상대적인 신호의 세기는 약간의 차이를 보였다. 특히, 여기 에너지가 C 엑시톤 에너지와 가까워질 때, 층간 수직 진동인 Breathing 모드의 신호 세기가 상대적으로 증가하였다. 또한, 이온젤을 이용한 게이팅 기술을 이용하여, 외부 전기장의 변화에 따른 MoS2 단일층과 이중층의 라만과 발광 신호를 측정하였다. MoS2의 엑시톤 에너지는 외부 전기장에 의해 조절이 가능하다. 이온젤이 덮여있는 MoS2 시료에 전방 게이트(topgate)를 통해 전압을 가해줌으로써, 일정한 외부 전기장을 걸어줄 수 있다. 가해주는 게이팅 전압에 따른 엑시톤 에너지의 변화를 살펴보고, 공명 현상을 보이는 여기 에너지인 1.96 eV 레이저를 사용하여, 게이팅 전압에 따른 라만 신호의 변화를 살펴보았다. 두 결과를 통해, 1.96 eV 여기 에너지에 의한 라만 스펙트럼에서 보이는 공명 효과는 A 엑시톤과 관련 있다는 것을 확인할 수 있다.

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