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2차원 재료의 동적 특성화를 위한 조정 가능한 레이저
개요
원자적으로 얇은 2차원 재료는 광전지, 양자 정보 과학 및 관련 응용 분야의 차세대 재료가 될 것으로 경쟁하는 재료 플랫폼입니다. 따라서 성장 및 장치 제작 중 재료 매개변수와 현장 특성화에 대한 철저한 이해는 적용 가능성을 향한 중요한 단계를 제시합니다. 전이금속 디칼코게나이드(TMD)는 반도체 및 광전자 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 단층 재료의 하위 집합입니다.
비선형 현미경 및 분광학은 향상된 공간 분해능과 이러한 물질의 결함, 도핑 및 변형에 대한 향상된 감도를 결합하는 동시에 전하 이동 및 응집성 결합을 포함한 샘플 역학에 대한 액세스를 제공합니다. TMD의 대규모 제품군은 다양한 공명 에너지와 공진의 선폭을 갖는 넓은 파장 범위에 걸쳐 있습니다. 미시간 대학의 연구원과 MONSTR Sense Technologies의 과학자들은 바카라 카지노 Vitara T를 사용하여 TMD 단층 및 이종 구조의 시간 일관성, 결합, 전하 이동 및 샘플 품질을 이해하고 특성화하기 위한 BIGFOOT® 초고속 분광계 및 NESSIE® 레이저 스캐닝 현미경의 기능을 보여줍니다. 실험의 개략도와 이미지가 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1: (a)실험 설정의 도식: 바카라 카지노 Vitara T의 레이저 빔은 처프 사전 보상을 위해 펄스 압축기를 통해 전송됩니다. 그런 다음 BIGFOOT 분광기와 NESSIE 레이저 스캐닝 현미경을 통과한 후 저온 유지 장치 내부의 샘플에 충돌합니다. 높은 신뢰성을 갖춘 핸즈프리 턴키 Vitara T는 BIGFOOT 및 NESSIE와 같은 정교한 장비에 이상적입니다.(b)웨이퍼 규모 이미징을 위한 XY 현미경 스테이지 설정 이미지. MONSTR Sense Technologies 제공.
초고속 영화 - 양자 시네마 방문
초고속 이미징의 기본 사항은 그림 2에 설명되어 있습니다. 종종 펌프 펄스라고도 하는 레이저 펄스가 샘플을 자극합니다. 프로브 펄스라고 하는 두 번째 펄스는 펌프 펄스를 따릅니다. 펌프-프로브 펄스 지연 동안T, 시스템은 직접 갭 반도체의 엑시톤 붕괴, 그래핀의 전자 이완, 분자 및 격자의 진동, 광합성 박테리아의 전하 및 에너지 전달과 같은 진화를 겪습니다. 우리는 시스템 비선형 응답, 특히 4파장 혼합(FWM) 신호의 변화를 펄스 지연의 함수로 측정하여 이러한 초고속 프로세스를 이해합니다. 이 측정을 레이저 스캐닝 현미경과 결합하면 샘플 역학의 초고속 '동영상'이 생성됩니다.
그림 2:샘플 역학의 초고속 영상을 획득하기 위한 펌프-프로브 방식. MONSTR Sense Technologies 제공.
각 펌프-프로브 펄스 지연에서의 측정은 자극 진행의 스냅샷입니다. 샘플 영역에서 여기 빔을 공간적으로 스캔하여 전체 프레임을 수집합니다. 우리는 그림 3(a)에 그러한 프레임의 예를 표시합니다. 이 예에서는 TMD MoSe의 단층2은 펄스 지연이 길어질수록 진폭이 감소하는 것으로 표시된 엑시톤 수명 감소를 표시합니다. 간단한 지수 피팅은 그림 3(b)에 표시된 것처럼 샘플 전체의 엑시톤 수명을 추출할 수 있습니다. 특히 반도체의 경우 감쇠 시간은 도핑, 국지적 상태(흔히 결함으로 인해 발생) 또는 유전체 환경의 변화를 나타내는 강력한 지표이므로 재료 품질을 조사하는 역할을 합니다. 그러나 펌프-프로브 이미징은 악성 흑색종 및 그래핀의 결함 감지를 포함하여 다양한 응용 분야에서 널리 사용되므로 반도체를 훨씬 뛰어넘습니다.
그림 3: (a)다양한 펌프-프로브 지연 T에 대한 FWM 이미지.(b)각 이미지 픽셀에서 지수적 피팅으로 얻은 결과 붕괴 시간 이미지입니다. Torben Purz 제공.
NESSIE 현미경으로 측정한 공간 분해능은 800nm보다 좋습니다. 높은 분해능은 BIGFOOT 분광계의 완전 공선형 출력으로 가능하며, 이는 공간 분해능이 약 30μm에 불과한 기존의 초고속 기술과 대조될 수 있습니다. 스폿 크기를 통해 고해상도 이미지를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 증폭된 레이저 시스템 대신 80MHz의 높은 반복률 레이저를 사용할 수도 있습니다. BIGFOOT을 통해 구현된 30배 이상의 초점 감소는 여기 영역의 2,500배 감소에 해당하며 그에 따라 동등한 비선형 응답에 필요한 더 낮은 펄스 에너지도 가능합니다. 따라서 BIGFOOT 분광기는 높은 반복률과 낮은 노이즈를 갖춘 Vitara T와 같은 레이저 발진기와 호환됩니다. 이점은 이미징에서 픽셀 체류 시간이 줄어들고 분광학에서 스캔 기간이 단축되어 데이터 수집 속도가 크게 빨라진다는 것입니다.
다차원 응집 분광학의 해명 능력
어떤 경우에는 연구자들이 특히 공명 사이의 결합을 연구하거나 샘플의 시간적 일관성(디페이징) 속성에 접근할 때 샘플에 대한 더 많은 정보가 필요합니다. 이 경우 연구자들은 MDCS(다차원 응집 분광학)를 사용합니다. MDCS에서는 프로브와 펌프 펄스가 스펙트럼적으로 분해되어 흡수 에너지와 방출 에너지의 상관 관계를 나타내는 2차원 스펙트럼이 생성됩니다. MoSe에 대한 예시적인 MDCS 스펙트럼2/WSe2이종 구조는 그림 4에 표시됩니다. 동일한 흡수 및 방출 에너지를 갖는 대각선의 두 피크(빨간색 점선 상자)는 MoSe의 특징입니다.2및 WSe2A-여기자. 뚜렷한 흡수 및 방출 에너지를 갖는 두 개의 대각선이 아닌 피크(노란색 점선 상자)는 엑시톤 간의 결합을 나타냅니다. 펌프-프로브 지연을 변경하면 커플링의 시간 의존적 특성이 드러납니다. Vitara의 넓은 대역폭은 MoSe의 동시 여기를 가능하게 합니다.2및 WSe2이 실험에서는 A-여기자. BIGFOOT의 푸리에 변환 분광학 접근 방식은 소프트웨어로 조정 가능한 대역폭과 스펙트럼 분해능을 모두 기존의 초고속 분광계보다 더 빠른 데이터 수집 속도로 허용합니다.
그림 4:MoSe에 대한 예시적인 MDCS 스펙트럼2/WSe2이종구조. Torben Purz 제공.
양자 정보 과학을 위한 시간적 일관성에 접근
양자 정보 과학은 복잡한 계산을 위해 긴 큐비트 일관성 시간이 필요합니다. MDCS는 균일한 선폭을 측정하고 불균질성이 큰 재료의 결합을 측정하는 고유한 기능으로 인해 양자 정보 응용 프로그램을 사용하여 재료의 광학적 특성을 측정하는 데 유용한 도구입니다. 따라서 MDCS는 양자 정보 과학을 위한 훌륭한 특성화 도구입니다. TMD는 양자 물질의 유망한 그룹이지만 일관성 시간과 샘플에 따라 어떻게 다른지에 대해서는 놀랍게도 알려진 바가 거의 없습니다. 여기서는 MDCS를 사용하여 TMD의 일관성 특성을 특성화합니다. MoSe의 일반적인 비선형 이미지2극저온(5K)의 단층이 그림 5(a)에 표시되어 있습니다.
그림 5: (a)MoSe의 FWM 이미지2극저온(5K)의 단층.(b)위치 A의 MDCS 스펙트럼((a)의 빨간색 점선 상자).(c)위치 B의 MDCS 스펙트럼((a)의 노란색 점선 상자) [1].
단층 플레이크는 FWM 강도에서 상당한 불균일성을 나타내며 이는 샘플 중앙의 균열과 일치합니다. 두 개의 샘플 위치(그림 5(b, c))에 대한 MDCS를 사용한 추가 분석은 중앙 영역도 상당히 더 큰 비균질 확장을 표시하며 이는 대각선(점선)을 따라 위치 B에서 스펙트럼의 신장으로 나타납니다. 불균일성은 800 nm 여기 영역 내의 여기자에 대한 강한 변형으로 인한 공명 이동을 나타냅니다.
대각선을 가로지르는 선폭의 맞춤은 일관성 시간에 반비례하는 균일한 선폭을 수량화합니다. 예를 들어, 교차 대각선 선폭은 그림 1과 2에 적합합니다. 5(b, c)는 약 900fs의 광학 일관성 시간을 나타냅니다. 이는 큐비트 작업이 초고속이 아닌 한 작업 큐비트에 필요한 일관성 시간보다 낮습니다.
MDCS는 현미경과 결합하여 MoSe 내 엑시톤과 전하 이동 사이의 응집성 결합의 견고성을 시각화할 수도 있습니다.2/WSe2이종구조. MoSe를 통한 통합2/WSe2120398_120625
그림 6: (a)MoSe의 통합 FWM 이미지2/WSe2펌프-프로브 지연 T의 함수로서 커플링 피크(그림 3의 오른쪽 하단).(b)(a) [1]의 세 화살표를 따라 펌프-프로브 지연 T의 함수로 FWM을 통합했습니다.
그림. 그림 6(a)는 펌프-프로브 지연 T의 함수에서 결합 피크가 어떻게 전개되는지에 대한 공간 맵을 보여줍니다. 이는 층간 결합의 물리적 특성을 이해하는 방법을 강조하기 위해 이 5차원 데이터 세트를 분할하는 한 가지 방법입니다. 6(b)에서 초기 펄스 지연에서의 결합 피크 진동은 재료의 응집성 결합 크기를 나타냅니다. 이후 펄스 지연에서의 결합 피크 강도는 전하 이동의 강도와 공간적 균일성을 나타냅니다. 6(b) 데이터 곡선은 6(a) 이미지의 각 색상 선을 따라 많은 픽셀에 대해 플롯되어 다양한 샘플 영역에서 진동의 재현성을 보여줍니다.
NESSIE 레이저 스캐닝 현미경의 픽셀 체류 시간이 30 µs에 불과함에도 불구하고 여기에 제시된 전체 5차원 측정값을 획득하는 데 1시간 이상이 걸립니다. 그러나 Vitara의 높은 안정성과 낮은 노이즈는 BIGFOOT의 높은 간섭계 안정성과 함께 이러한 측정을 통해 몇 시간 동안 안정적인 결과를 얻을 수 있습니다.
더 빠른 재료 검사를 향한 길
재료 성장 및 제조 중에 현장 특성화를 활성화하려면 전체 MDCS와 현미경 검사법을 결합하는 것이 충분히 빠르지 않습니다. 대신, 디페이징 및 집단 역학과 같은 MDCS 양식은 시간 영역에서 0차원 또는 1차원 스캔을 통해 액세스할 수 있으며, MONSTR Sense 초고속 현미경은 1분 이내에 이를 획득합니다. 이러한 0차원 또는 1차원 스캔은 처리량이 중요한 현장 또는 인라인 재료 성장 특성화에 충분한 경우가 많습니다.
그림 7:(a) CVD 성장, 캡슐화되지 않은 WSe의 백색광 현미경 이미지2단층. (b) WSe의 흡광도 이미지2단층. (c) WSe의 FWM 이미지2단층 [2].
더욱이, 간단한 정적 FWM 이미지는 디페이징 또는 인구 수명과 같은 뛰어난 물리적 특성이 있는 영역을 표시하는 동시에 획득 속도가 훨씬 빠릅니다. (a) 백색광 현미경 및 (b) 공진 선형 반사율과 (c) 실온에서의 FWM 이미징의 비교가 그림 7에 나와 있습니다.
그림 7(a)의 백색광 현미경 이미지와 그림 7(b)의 선형 반사 이미지는 전사 과정에서 남은 잔류물로 인해 공간적 불균질성을 보여주는 반면, 그림 7(c)의 FWM 이미지는 그림 7(a, b)보다 더 높은 대비와 뚜렷한 특징을 보여줍니다.
그림 8:(a) WSe의 디페이싱 시간 이미지2상온의 단층 (b) 인구 수명의 급속한 붕괴 구성 요소 이미지. (c) 인구 수명의 느린 붕괴 구성 요소 이미지 [2].
그림 8(a)에 표시된 것처럼 고유한 FWM 기능은 서로 다른 디페이징 시간으로 변환됩니다. 넓은 Vitara T 대역폭을 조정하고 분산을 보상하여 설정된 펄스 지속 시간은 30fs입니다. 디페이징 시간이 상당히 높은 영역은 다체 효과가 높은 영역입니다. 유사하게, 그림 8(b, c)에 표시된 이중 지수 붕괴 이미지는 그림 8(c)에 표시된 느린 붕괴에 대해 유사한 공간 동작을 보여줍니다. 빠르고 느린 감쇠 구성 요소의 공간 프로필의 뚜렷한 구별은 이 샘플에서 공간적으로 다양한 암흑 상태 분포를 암시합니다.
요약
우리는 공간 분해 광학 결맞음 시간, 엑시톤 간의 결맞음 결합 및 TMD 이종 구조의 전하 이동을 연구하기 위해 현미경과 결합된 다차원 결맞음 분광법을 위한 혁신적이고 상업적으로 이용 가능한 설정을 시연했습니다. 이종 구조 샘플의 경우 응집성 결합과 전하 이동 모두 큰 균질성을 보여 광전지 및 양자 정보 응용을 위한 TMD의 대규모 응용을 장려합니다. 이는 또한 연구자들이 높은 재현성으로 시료 전반에 걸쳐 시료 역학을 조사할 수 있도록 하는 현미경 검사를 통해 MDCS의 강력한 성능을 강조합니다. 빠르게 획득된 디페이징 및 모집단 수명 맵은 백색광 현미경이나 공명 선형 반사보다 샘플 품질을 더 정확하게 나타냅니다.
디페이징 및 인구 수명 척도를 깨끗한 고품질 샘플로 보정함으로써 예상 역학에서 벗어나는 것은 샘플 품질이 열등함을 나타낼 수 있습니다. 또한 이러한 측정이 광발광 또는 라만보다 훨씬 빠르기 때문에 FWM 이미징은 TMD 및 기타 2차원 물질, 갈륨 비소 등의 신속한 현장 특성화 역할을 할 수 있습니다.
이러한 측정을 위해 바카라 카지노 Vitara T 초고속 레이저는 넓은 조정 가능성, 넓은 대역폭, 낮은 노이즈의 높은 안정성 및 사용 편의성을 위해 선택되었습니다. 또한 MDCS 분광법은 관심 있는 모든 공명의 동시 여기를 요구하며 이는 Vitara와 같은 광대역 레이저를 사용하는 TMD 이종 구조에서만 가능합니다. 분광학 및 이미징 데이터는 또한 MONSTR Sense Technologies의 BIGFOOT 초고속 분광계 및 NESSIE 레이저 스캐닝 현미경의 기능을 보여줍니다. 이 장비는 회절이 거의 제한된 지점에 레이저를 집중시켜 레이저 발진기를 사용하여 고해상도와 강력한 비선형 응답을 가능하게 합니다.
참고자료
[1]Torben L. Purz, Eric W. Martin, William G. Holtzmann, Pasqual Rivera, Adam Alfrey, Kelsey M. Bates, Hui Deng, Xiaodong Xu 및 Steven T. Cundiff."전이금속 디칼코게나이드의 동적 엑시톤 상호작용 및 결합을 이미징합니다."J. 화학. 물리 156, 214704 (2022).
[2]Torben L. Purz, Blake T. Hipsley, Eric W. Martin, Ronald Ulbricht 및 Steven T. Cundiff."재료 특성화를 위한 고속 다중 초고속 비선형 현미경."선택. 익스프레스 30. (25), 45008–45019(2022년 12월). DOI:10.1364/OE.472054.