Mechanical strain effect on the optical properties of monolayer MoS2
Creators: name: Κατσαρού, Ειρήνη Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Μηχανική παραμόρφωση
Δισδιάστατα διχαλκογενίδια μεταβατικών μετάλλων
Οπτικές ιδιότητες
Mechanical strain
2D TMDCs
Optical properties

description: Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides have gained significant attention following the breakthrough of graphene. The remarkable properties exhibited by this promising class of materials position them as ideal candidates for various electronic and optoelectronic applications. 2D Molybdenum disulfide (MoS2), the most renowned member within this family has been extensively studied over the recent year as it showcases exceptional electronic, mechanical, optical, thermal, and excitonic properties. These properties are further susceptible to external perturbations, particularly mechanical deformation. Thus, application of mechanical strain has been proven to be a very powerful tool to tune the electronic structure of materials and consequently their optical properties. In this study, we investigate experimentally the impact of mechanical strain on the optical properties of monolayer MoS2 using Differential Reflectance Spectroscopy and Photoluminescence. The materials are synthesized using Chemical Vapor Deposition (CVD) and are successfully transferred to PMMA cruciforms for conducting the experiments, upon various biaxial tensile strain levels ranging from 0% to 0.58%. Through the application of the Lorentzian oscillator model, we successfully simulate the experimental data, providing valuable insights into the alterations in the electronic band structure induced by strain application. Our experimental findings are thoroughly discussed and compared with existing literature. Furthermore, the oscillator analysis yields a comprehensive set of optical functions for single-layer MoS2 under various strain levels, including the dielectric function.
description: Τα δισδιάστατα διχαλκογενίδια μεταβατικών μετάλλων έχουν προσελκύσει το σημαντικό ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, ύστερα από την επανάσταση του γραφενίου που οδήγησε στο Νόμπελ φυσικής το 2004. Οι αξιοσημείωτες ιδιότητες που παρουσιάζει αυτή η υποσχόμενη οικογένεια υλικών τα κατατάσσουν ως ιδανικούς υποψηφίους για ποικίλες ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές. Το δισουλφίδιο του μολυβδενίου (MoS2) αποτελεί το πιο γνωστό μέλος αυτής της κατηγορίας υλικών και έχει μελετηθεί εκτενώς τα τελευταία χρόνια καθώς παρουσιάζει εξαιρετικές ηλεκτρονικές, μηχανικές, οπτικές, θερμικές και εξιτονικές ιδιότητες. Οι ιδιότητες αυτές χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερη ευαισθησία σε εξωτερικές διαταραχές, και ειδικότερα στην μηχανική παραμόρφωση. Για τον λόγο αυτό, η εφαρμογή μηχανικής παραμόρφωσης έχει αποδειχθεί μία πολύ ισχυρή μέθοδος ελέγχου της ηλεκτρονικής δομής των υλικών αυτών και επακολούθως των οπτικών ιδιοτήτων τους. Στην παρούσα ερευνητική εργασία, εξετάζουμε πειραματικά την επίδραση της μηχανικής παραμόρφωσης στις οπτικές ιδιότητες του μονοστρωματικού MoS2 χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία διαφορικής ανακλαστικότητας και φωταύγειας. Τα υλικά συντίθενται με την μέθοδο της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) και μεταφέρονται επιτυχώς σε κατάλληλα σταυροειδή δοκίμια πολυμεθακρυλικού μεθυλίου (PMMA) για την διεξαγωγή πειραμάτων υπό διαξονική εφελκυστική παραμόρφωση που κυμαίνεται από 0% έως 0.58%. Μέσω της εφαρμογής του μοντέλου των λορετζιανών ταλαντωτών, επιτυγχάνουμε την πολύ ικανοποιητική προσομοίωση των εξαχθέντων πειραματικών δεδομένων, αποκομίζοντας σημαντικές πληροφορίες για τις μεταβολές στην ηλεκτρονική δομή, οι οποίες επάγονται από την εφαρμογή της μηχανικής παραμόρφωσης. Τα πειραματικά ευρήματα αναλύονται εκτενώς και επιπλέον συγκρίνονται με αντίστοιχες ερευνητικές εργασίες στην βιβλιογραφία. Επιπρόσθετα, η ανάλυση των ταλαντωτών αποδίδει ένα ολοκληρωμένο σύνολο οπτικών συναρτήσεων για το μονοστρωματικό MoS2 υπό διαφορετικά επίπεδα παραμόρφωσης, συμπεριλαμβανομένου της διηλεκτρικής συνάρτησης.