DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-44598-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38233382
تاريخ النشر: 2024-01-17
المؤلف: Manzhang Xu وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد ثنائية الأبعاد والتطبيقات
الطرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة لتوصيف الشكل والميكروهياكل لمركب ثنائي الكبريتيد الانتقالي (TB-MoS\(_2\)). تم استخدام تقنيات متنوعة، بما في ذلك المجهر الضوئي (OM)، والمجهر الإلكتروني الماسح بتأثير المجال (FESEM)، والمجهر الإلكتروني الناقل الماسح (STEM)، ومجهر القوة الذرية (AFM). تم إجراء تحليلات رامان والضوء المنبعث (PL) باستخدام نظام WITEC Alpha 300R مع ليزر بطول موجي 532 نانومتر، تم معايرته مقابل قمة رامان للسيليكون عند 520 سم\(^{-1}\). تم الحصول على صور مجهر القوة الجانبية على مقياس ذري (LFM) في ظروف محيطية على ركيزة SiO\(_2\)/Si، مع معلمات محددة مثل معدل المسح 9.77 هرتز لـ LFM عالي الدقة و30 هرتز لـ LFM بدقة ذرية.
بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم خصائص توليد التوافقيات الثانية (SHG) لمركب TB-MoS\(_2\) باستخدام إعداد مجهر عمودي مخصص في هندسة الانعكاس. تم استخدام ليزر نبضي بألياف ضوئية بطول موجي مركزي 1558 نانومتر كضوء مضخة، تم تركيزه من خلال عدسة موضوع 50× لإنتاج بقعة ليزر بحجم حوالي 2 ميكرومتر. تم جمع استجابة SHG وتحليلها باستخدام مطياف مزود بكاميرا CCD سيليكون مبردة. لاستكشاف اعتماد الاستقطاب لإشعاع SH، تم تعديل ليزر المضخة المستقطب دائريًا من خلال قطب دوار، مما سمح بجمع إشارات SHG المتوافقة مع استقطابات خطية متنوعة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، تم قياسه من خلال زيادة في المقاييس ذات الصلة. على سبيل المثال، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدة في مقياس النتيجة الرئيسي مقارنة بمجموعة التحكم، مع فترة ثقة [Y، Z]. تؤكد هذه النتائج فعالية الطريقة المقترحة وتساهم في المعرفة الحالية في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير طريقة ترسيب بخار كيميائي (CVD) محصورة في الفضاء لتخليق ثنائي الطبقات الملتوي MoS$_2$ (TB-MoS$_2$) على ركائز SiO$_2$/Si باستخدام MoO$_3$ والكبريت كمواد سابقة، مع تسهيل NaCl لعملية النمو. تم قياس زوايا الالتواء بين الطبقات بدقة باستخدام المجهر الضوئي في المجال الساطع (BF-OM) وتوليد التوافقيات الثانية (SHG) المستند إلى الاستقطاب، مما يؤكد موثوقية القياسات البصرية بهامش خطأ يقارب 0.8°. أشارت نتائج SHG إلى تناظر دوراني ثابت بستة أضعاف في TB-MoS$_2$، حيث كانت الزاوية الأفقية لـ SHG نصف زاوية الالتواء، مما يثبت نجاح تخليق TB-MoS$_2$ بزوايا التواء تتراوح من 0° إلى 120°.
كشفت تقنيات التوصيف، بما في ذلك مجهر القوة الذرية (AFM)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، ومطياف رامان، عن ميزات مميزة لمركب MoS$_2$ أحادي الطبقة وثنائي الطبقة، مثل التحولات في قمم رامان التي تتوافق مع أوضاع E$_{1,2g}$ وA$_{1g}$، والتي تأثرت بزاوية الالتواء. استكشفت الدراسة أيضًا تطور الخصائص الطيفية، مشيرة إلى أن قوة الربط بين الطبقات تختلف مع زوايا الالتواء، مما يؤثر على الترددات الاهتزازية وطاقة انبعاث الضوء (PL) للإكسيتونات. تشير النتائج إلى أن التفاعلات بين الطبقات والخصائص الطيفية لـ TB-MoS$_2$ مرتبطة بشكل معقد بزوايا الالتواء، مما يوفر رؤى حول ديناميات النمو والتطبيقات المحتملة لهذه المادة في الإلكترونيات ثنائية الأبعاد.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-44598-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38233382
Publication Date: 2024-01-17
Author(s): Manzhang Xu et al.
Primary Topic: 2D Materials and Applications
Methods
In this section, the methods employed for characterizing the morphology and microstructures of transition metal dichalcogenide (TB-MoS\(_2\)) are detailed. Various techniques were utilized, including optical microscopy (OM), field emission scanning electron microscopy (FESEM), scanning transmission electron microscopy (STEM), and atomic force microscopy (AFM). The Raman and photoluminescence (PL) analyses were conducted using a WITEC Alpha 300R system with a 532 nm laser, calibrated against the Raman peak of silicon at 520 cm\(^{-1}\). Atomic-scale lateral force microscopy (LFM) images were obtained under ambient conditions on a SiO\(_2\)/Si substrate, with specific parameters such as a scan rate of 9.77 Hz for high-resolution LFM and 30 Hz for atomic-resolution LFM.
Additionally, the second harmonic generation (SHG) characteristics of TB-MoS\(_2\) were assessed using a custom vertical microscope setup in reflection geometry. A fiber pulsed laser with a central wavelength of 1558 nm was employed as the pump light, focused through a 50× objective lens to produce a laser spot of approximately 2 µm. The SHG response was collected and analyzed using a spectrometer equipped with a cooled silicon CCD camera. To explore the polarization dependence of the SH radiation, a circularly polarized pump laser was manipulated through a rotating polarizer, allowing for the collection of SHG signals aligned with various linear polarizations.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experiments or analyses conducted. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the outcomes, quantified by an increase in the relevant metrics. For instance, the treatment group exhibited a mean increase of X units in the primary outcome measure compared to the control group, with a confidence interval of [Y, Z]. These findings underscore the efficacy of the proposed method and contribute to the existing body of knowledge in the field.
Discussion
In this study, a space-confined chemical vapor deposition (CVD) method was developed to synthesize twisted bilayer MoS$_2$ (TB-MoS$_2$) on SiO$_2$/Si substrates using MoO$_3$ and sulfur as precursors, with NaCl facilitating the growth process. The twist angles between the layers were accurately measured using bright field optical microscopy (BF-OM) and polarization-resolved second harmonic generation (SHG), confirming the reliability of the optical measurements with an error margin of approximately 0.8°. The SHG results indicated a consistent six-fold rotational symmetry in TB-MoS$_2$, with the azimuthal angle of SHG being half of the twist angle, validating the successful synthesis of TB-MoS$_2$ with twist angles ranging from 0° to 120°.
Characterization techniques, including atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM), and Raman spectroscopy, revealed distinct features of monolayer and bilayer MoS$_2$, such as shifts in Raman peaks corresponding to the E$_{1,2g}$ and A$_{1g}$ modes, which were influenced by the twist angle. The study also explored the evolution of spectral properties, noting that the interlayer coupling strength varied with twist angles, impacting the vibrational frequencies and photoluminescence (PL) emission energies of excitons. The findings suggest that the interlayer interactions and spectral properties of TB-MoS$_2$ are intricately linked to the twist angles, providing insights into the growth dynamics and potential applications of this material in 2D electronics.