半導(dǎo)體所等在各向異性二維材料物性研究方面取得系列進(jìn)展

　　二維層狀晶體材料，比如石墨烯和二硫化鉬（MoS2）等，具有優(yōu)良的電學(xué)性能和光學(xué)性能，因此被期待可用來發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件、晶體管和光電器件。近幾年來，平面內(nèi)各向異性的二維晶體材料，如黑磷(BP)，二硫化錸(ReS2)和二硒化錸(ReSe2)等，由于其具備的獨(dú)特性質(zhì)和在納米器件方面的應(yīng)用價(jià)值而受到人們的極大關(guān)注。與各向同性的二維材料(如石墨烯和MoS2)相比，平面內(nèi)各向異性的二維晶體材料多一個(gè)平面內(nèi)的自由度，所以它們的性質(zhì)更加豐富多彩。

　　最近，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員譚平恒研究組在各向異性二維材料的物性研究方面取得了系列進(jìn)展。研究組和南加州大學(xué)教授汪涵等合作，通過拉曼光譜和光致發(fā)光光譜表征了平面內(nèi)各向異性的二維材料ReSe2。他們發(fā)現(xiàn)從單層到體材料ReSe2的拉曼光譜和光致發(fā)光光譜存在著各向異性，并在多層ReSe2中觀察到超低頻層間剪切和呼吸耦合振動(dòng)模。結(jié)合第一性原理計(jì)算表明，偏振拉曼光譜可以用來表征ReSe2的晶格取向。相關(guān)工作發(fā)表在Nano Research 2015, 8(11): 3651–3661。

　　在之前的報(bào)道中，人們認(rèn)為各向異性二維晶體材料(如ReS2)的層間是隨機(jī)堆垛的。譚平恒研究組和中國人民大學(xué)教授季威等合作，通過超低頻和高頻拉曼光譜、光致發(fā)光光譜和密度泛函理論計(jì)算展示了多層ReS2存在兩種穩(wěn)定的堆垛結(jié)構(gòu)，即所謂的“類各向同性”和“類各向異性”結(jié)構(gòu)，其中他們發(fā)現(xiàn)“類各向同性”的豐度僅為10-15%。在多層“類各向同性”ReS2中，觀察到了兩種不簡(jiǎn)并的層間剪切振動(dòng)模；而在多層“類各向異性”ReS2中，只觀察到一種簡(jiǎn)并的層間剪切振動(dòng)模，這表明“類各向同性”和“類各向異性”分別對(duì)應(yīng)類各向同性和類各向異性的兩種堆垛方式。這兩種堆垛方式的多層ReS2的高頻拉曼光譜和光致發(fā)光光譜具有顯著的差別，也可以用來鑒別多層ReS2的層間堆垛方式和層數(shù)。多層ReS2多構(gòu)型的這種特性將會(huì)促使人們通過改變堆垛方式來調(diào)控其他各向異性二維晶體材料的物理性質(zhì)和器件應(yīng)用。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nanoscale 2016, 8, 8324-8332。該研究進(jìn)展引發(fā)了國際上廣泛關(guān)注。美國北愛荷華大學(xué)和法國斯特拉斯堡大學(xué)針對(duì)多層ReS2的超低頻拉曼光譜報(bào)道了兩種截然不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并分別發(fā)表于Nano Lett 和ACS Nano。而譚平恒研究組報(bào)道了多層ReS2的兩種穩(wěn)定的不同堆垛結(jié)構(gòu)，并在超低頻和高頻拉曼光譜、光致發(fā)光光譜和密度泛函理論計(jì)算方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，完全統(tǒng)一地解釋了國外上述兩大學(xué)獲得的來源于不同堆垛結(jié)構(gòu)的兩種截然不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　除了自然界中存在的各向異性二維材料（ReSe2和ReS2），該研究組還研究了人造各向異性二維材料。研究組和南加州大學(xué)教授汪涵和吳蔚等合作，運(yùn)用氦離子刻蝕技術(shù)，在各向同性的單層MoS2上刻蝕出從5nm到15nm寬的納米帶陣列。通過拉曼光譜和反射襯度譜的表征發(fā)現(xiàn)，這種納米帶的光學(xué)性質(zhì)存在著顯著的各向異性。拉曼譜隨納米帶寬度的變化可以通過量子限制模型得到很好的解釋。此外，研究發(fā)現(xiàn)，通過納米帶相對(duì)于單層材料的拉曼峰強(qiáng)度可以鑒別納米帶的寬度。相關(guān)工作在線發(fā)表于Advanced Optical Materials。

　　博士生吳江濱和喬曉粉分別為上述工作的(共同)第一作者。該系列工作得到了國家自然科學(xué)基金的支持。