基于拉曼光谱技术对范德瓦尔斯硒化物的物性研究

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二维材料凭借特殊的层状结构、优异的物理性质以及在光电应用等众多领域具有巨大研究潜力和应用前景而备受关注。然而,在实际器件应用层面表现出稳定、高性能的二维半导体材料还需要研究人员去进一步探索。基于以上背景,本论文以范德瓦尔斯硒化物γ-InSe和FePSe3为切入点,重点借助拉曼光谱仪系统研究了薄层InSe环境稳定性和FePSe3单晶自旋声子耦合效应。以下是本论文主要研究成果:1、对γ-InSe单晶进行系统的微结构表征,并重点研究薄层InSe的环境稳定性。采用布里奇曼方法生长InSe晶体,X射线衍射和扫描电子显微镜结果表明生长的InSe单晶具有高质量的特点,且具有层状结构。激光诱导实验发现,1 m W功率激光照射下,薄层InSe会快速降解,氧化产物为In2O3和In2Se3。基于拉曼光谱仪环境稳定性实验发现,4层γ-InSe很不稳定,我们推测更薄层InSe可能在刚剥离后就发生降解。借助原子力显微镜观察发现5 h后薄层InSe厚度增加。X射线光电子能谱结果证明InSe会与氧气和水反应。拉曼光谱热稳定性实验中发现温度升高,对应拉曼特征峰向低频方向移动,高温加热会破坏InSe的稳定性。2、对FePSe3单晶微结构进行了系统表征,借助拉曼光谱仪研究了FePSe3单晶的自旋声子-耦合效应。采用CVT方法生长了FePSe3单晶,X射线衍射和扫描电子显微镜结果表明了我们生长出了高质量的FePSe3单晶,且具有层状结构。紫外漫反射实验表明FePSe3单晶在200-1000 nm范围内有明显吸收,Tauc plot法和第一性原理计算出带隙值约为1.27 e V。X射线光电子能谱研究发现长时间暴露在空气中FePSe3单晶会与空气中的氧气和水反应。超导量子干涉仪实验发现,500 Oe磁场下FePSe3单晶在115 K处出现了从顺磁到反铁磁转变,并且表现出磁各向异性。变温实验表明,FePSe3单晶Eg峰位移在奈尔温度以上随温度呈线性变化,在奈尔温度以下不具有线性变化,我们推测是由自旋-声子耦合效应引起的。3、借助MS和VASP软件对γ-InSe的电子和声子性质进行了第一性原理计算,首先计算出InSe晶体和单层InSe的能带并分析不同轨道的贡献。然后计算了单层InSe在-5%到5%范围双轴应变下的带隙,当压缩应变在-3%以上时,可以在Γ点观察到直接带隙。在-2%压缩应变下观察到间接带隙。表明在-3%和-2%压缩应变下,单层InSe开始从直接带隙向间接带隙转变。导带选取路径为Γ-M,价带选取路径为K-Γ,导带处计算出有效电子质量m*=0.161m0,与实验值吻合。最后计算了-1%、0%、%1双轴应变下的声子谱,发现~212)模式在双轴应变下变化最大,1%的应变对应5 cm-1的频移。计算得到了对应的格林奈森参数,发现InSe中范德瓦尔斯力和原子对之间的力存在特定的平衡。
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