超低频率拉曼光谱研究不同电子结构二维材料的热学性质

Devices based on two-dimensional (2D) materials have attracted extensively attention in recent years. The thermal properties of 2D materials are not only crucial for understanding the heat dissipation, energy conversion in devices, but also important for the fabrication of high performance photoelectronic and thermoelectric devices. However, the thermal properties of 2D materials cannot be obtained by traditional thermal measurement methods for bulk, so that it is urgent to find a new route to identify the thermal properties of 2D materials. Compared with regular Raman spectroscopy that can just measure the vibrational modes originating from three-dimensional bulk, ultra-low frequency Raman spectroscopy could study the inter-layer force in 2D materials, which is more suitable for investigating the temperature dependence of lattice structure in atomic layer, enabling to get the intrinsic thermal properties of 2D materials. In this project, ultra-low frequency Raman spectroscopy would be employed to study the thermal properties of 2D materials with different electronic structures, including graphene, MoS2（WS2）and h-BN. The ultra-low frequency Raman measurement will be carried on the suspended 2D materials and the suspended 2D materials tailored by electron beam lithography, respectively. The intrinsic thermal properties of 2D materials will be determined by systematically investigating the changes of Raman peaks as a function of temperature, number of layers, thermal expansion coefficient of substrates and the size of suspended area. In addition, the quantitative or semi-quantitative model will be summarized based on the first-principle calculation, which would be helpful for the fabrication of electronic devices based on 2D materials.

二维材料电子器件是当前物理和材料领域的研究重点。二维材料的热学性质对于理解器件中的热扩散、能量转换等物理过程，制备高性能的光电、热电器件具有重要意义。但是二维材料的热学性质并不能采用体材料的测量方法获得，因此确定二维材料热学性质就显得迫切而必要。超低频率拉曼散射直接研究二维材料原子层受到的各种作用力，与常规拉曼散射只能研究体振动模式相比，更适合研究衬底上的二维材料的晶格结构随温度的变化，确定二维材料的本征热学性质。本项目中，将采用超低频率拉曼散射研究具有不同电子结构的二维材料，如graphene, MoS2（WS2）和h-BN的热学性质。系统研究悬空于微米孔上以及采用聚焦离子束选择性剪裁的悬空二维材料的拉曼峰的频移随温度、层厚、衬底的热膨胀系数、悬空面积的变化规律，确定二维材料的本征热膨胀系数和热导率，结合第一性原理计算归纳出定量的或半定量的理论模型，为制备相关电子器件提供帮助和指导。

二维材料电子器件是当前物理和材料领域的研究重点。二维材料的热学性质对于理解器件中的热扩散、能量消耗和转换等物理过程，制备高性能的光电、热电器件具有重要意义。但是二维材料的热学性质并不能采用体材料的测量方法获得，因此确定二维材料热学性质就显得迫切而必要。本研究项目中，我们采用变温拉曼光谱技术系统地研究了二维材料，尤其是MoS2的热学参数，包括热膨胀系数和热导率。首先，通过制备转移于微米孔上悬空的不同层厚的MoS2样品，系统地研究了MoS2的拉曼频移随温度、层厚、衬底的热膨胀系数的变化规律，结合数值反演计算归纳出半定量的理论模型，确定不同层厚的MoS2本征的热膨胀系数和热导率。第二，基于有限元方法，建立数值仿真模型，比较不同温度下悬空和衬底上的MoS2和衬底间的热膨胀系数失配产生的内应力，结合拉曼光谱测试结果，获得相匹配的MoS2的热膨胀系数。第三，研究在不同衬底上制备的不同层厚的MoS2样品，发现计算得到的MoS2热导率有显著不同，这应该与样品制备过程中在MoS2中产生的预应力相关。此外，我们利用搭建的综合极端条件拉曼光谱测试系统，在液氦温度（4K），采用偏振拉曼光谱研究了MoS2和WS2在强磁场（0-9T）下的变化，发现晶格的微缺陷显著影响MoS2的磁光耦合性质，并发现了金衬底上产生的表面等离基元对WS2的磁拉曼性质的影响，证明电子运动与磁光耦合性质有重要联系。本项目所获得的这些结果，不仅帮助我们获得了MoS2的热膨胀系数和热导率，并且为设计和制备二维材料相关的电子器件提供重要信息。