●二硫化鉬（MoS₂）是一種新興的二維材料，具有獨(dú)特的性質(zhì)和眾多潛在的應(yīng)用，包括光電子學(xué)、水處理、太陽能和生物醫(yī)學(xué)。

●拉曼光譜可用于探測該材料中的層數(shù)和應(yīng)變，這兩者都會影響其光電特性。

●光致發(fā)光光譜則可用于探測二硫化鉬的帶隙，該帶隙受多種因素影響，包括應(yīng)變、層數(shù)、晶體缺陷和摻雜。

圖1：TMD 結(jié)構(gòu) MX₂；M=過渡金屬（例如，Mo），X=硫?qū)僭兀ɡ纾琒）

塊體（Bulk）MoS₂ 具有間接帶隙，而單層（monolayer）形式的帶隙則變?yōu)橹苯訋?。直接帶隙的形成是由于層間相互作用的消除，這意味著電子被限制在單個(gè)平面內(nèi)。在機(jī)械性能方面，MoS₂ 單層具有極高的柔韌性，其斷裂強(qiáng)度高于常用的柔性塑料，剛度可與鋼相媲美¹。

MoS₂ 的應(yīng)用廣泛而多樣，在光電子學(xué)、水處理、太陽能和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域備受關(guān)注。為使材料發(fā)揮其最高性能，它必須沒有缺陷。缺陷、應(yīng)力和應(yīng)變會顯著影響材料的特性。例如，消除導(dǎo)致非輻射復(fù)合的缺陷，可實(shí)現(xiàn)超過 95% 的光致發(fā)光量子產(chǎn)率²。關(guān)聯(lián)拉曼（Raman）和光致發(fā)光（PL）成像技術(shù)可用于提供高度詳細(xì)的樣品信息，而無需任何樣品制備或造成損傷。

使用顯微共聚焦拉曼光譜儀，可以在同一樣品區(qū)域上獲得拉曼和光致發(fā)光的光譜。在本應(yīng)用文章中，使用RM5顯微拉曼光譜儀對化學(xué)氣相沉積（CVD）法生長的MoS₂ 薄片進(jìn)行了拉曼和光致發(fā)光成像分析。

圖2：a) RM5顯微共聚焦拉曼光譜儀；b）MoS₂ 薄片的反射式暗場圖像。

該樣品表現(xiàn)出極強(qiáng)的拉曼和光致發(fā)光（PL）響應(yīng)，因此可在 CCD 相機(jī)上采用短曝光時(shí)間來獲取高質(zhì)量光譜。在成像過程中，當(dāng)可采用 < 0.5 秒的曝光時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)會啟用快速成像模式（Fast Mapping） 以大幅縮短成像時(shí)間。對于拉曼成像，使用的曝光時(shí)間為0.03秒；由于光致發(fā)光（PL）信號更強(qiáng)，可采用0.01秒的曝光時(shí)間。

圖3：薄層 MoS₂ 的拉曼光譜（左圖），標(biāo)出了E_2g和A_1g峰及其對應(yīng)的振動(dòng)模式（右圖）。

這些峰指示了存在的層數(shù)，而 MoS₂ 晶體中的層數(shù)對其在光電器件中的功能至關(guān)重要。從圖4可以看出，E_2g和A_1g峰的強(qiáng)度（或更準(zhǔn)確地說是峰位差）可用于指示存在的層數(shù)。隨著層數(shù)的增加，由于層間振動(dòng)的影響，這兩個(gè)峰之間的距離會增大。圖中呈現(xiàn)單一粉紅色的晶體是單層MoS₂。而某些晶體中心出現(xiàn)的亮點(diǎn)則表明存在多層MoS₂。

圖4： (i) 使用E_2g和A_1g峰進(jìn)行的 MoS₂ 晶體拉曼強(qiáng)度成像。(ii) 來自低拉曼信號和高拉曼信號區(qū)域的拉曼光譜。

如圖5(i) 所示，繪制了兩個(gè)峰之間的劈裂值（splitting value）。與塊體 MoS₂ 相比，當(dāng)晶體變?yōu)閱螌訒r(shí)，E_2g峰的拉曼位移值更高。這種位移是由于Mo原子之間的庫侖相互作用造成的，該相互作用隨層數(shù)增加而增強(qiáng)³。當(dāng)MoS₂變?yōu)閱螌訒r(shí)，A_1g峰的拉曼位移值較低，這導(dǎo)致（圖像中）三角形中心區(qū)域呈現(xiàn)出增大的劈裂值。

圖5：(i) 顯示 E_2g–A_1g 峰位差的拉曼成像圖。(ii) 單層和多層 MoS₂的歸一化拉曼光譜，突顯了峰位差的變化。

E_2g峰對樣品中的應(yīng)變特別敏感。當(dāng)材料處于應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，該峰會表現(xiàn)出更高的拉曼位移值（即藍(lán)移）。這揭示了白色方框內(nèi)標(biāo)出的底部兩個(gè)晶體比其他晶體承受更大的應(yīng)變。拉曼成像結(jié)果表明，這些樣品既包含單層也包含多層MoS₂，同時(shí)也顯示出一定的應(yīng)變。

圖6：(i) 顯示 E_2g峰峰位的拉曼成像圖。 (ii) 突顯 E_2g峰峰位變化的歸一化拉曼光譜。

圖7： (i) MoS₂ 晶體的光致發(fā)光強(qiáng)度分布圖。(ii) 來自高強(qiáng)度和低強(qiáng)度區(qū)域的 PL 光譜。

PL峰對應(yīng)變、摻雜和缺陷同樣敏感。圖 8 繪制了其峰位。該峰位指示了樣品中的應(yīng)變，與拉曼成像中E_2g峰的結(jié)果一致，表明底部兩個(gè)晶體存在應(yīng)變。此外，PL成像還揭示了白色方框內(nèi)標(biāo)出的、看似正在相互交疊生長的兩個(gè)晶體中也存在一定的應(yīng)變。

圖8：(i) 使用峰位繪制的 MoS₂ 晶體 PL 成像圖。(ii) 來自高強(qiáng)度和低強(qiáng)度區(qū)域的歸一化PL光譜。

PL成像結(jié)果與拉曼數(shù)據(jù)高度吻合，表明該樣品生長質(zhì)量良好，主要為單層晶體，且應(yīng)變很小。

1. Pei, J. et al. Exciton and Trion Dynamics in Bilayer MoS2. Small 11, 6384–6390 (2015).

2. Amani, M. et al. Near-unity photoluminescence quantum yield in MoS2. Science (80-. ). 350, 1065–1068 (2015).

3. Golovynskyi, S. et al. Exciton and trion in few-layer MoS2: Thickness- and temperature-dependent photoluminescence. Appl. Surf. Sci. 515, (2020).