Вторая гармоника помогла нарисовать карту механических напряжений в двумерных полупроводниках

Австрийские физики разработали наиболее точный на данный момент оптический метод картирования локального механического напряжения в двумерных полупроводниковых кристаллах. Оказалось, что для получения значений элементов тензора напряжения очень эффективен анализ поляризации возбужденной второй оптической гармоники, сообщают ученые в Nature Communications.

Создание механического напряжения в двумерных полупроводниках — один из способов управлять их электронными и оптическими свойствами. Такой способ используется и для трехмерных кристаллов, но для двумерных он оказывается особенно эффективным за счет того, что такие материалы могут очень значительно деформироваться так, что при этом не происходит разрушения кристаллической структуры. Из-за сильного взаимного влияния механического напряжения и оптических свойств двумерных кристаллов оптические методы, в частности рамановскую и фотолюминесцентную спектроскопию, часто пытаются использовать и для анализа деформированных кристаллов, однако на сегодняшний день большинству этих методов не хватает точности.

Группа физиков из Венского технического университета под руководством Томаса Мюллера (Thomas Mueller) показала, что для построения карты напряжений в двумерных полупроводниках более эффективно использовать другой оптический метод — генерацию второй гармоники, то есть возбуждение при облучении отраженных волн удвоенной частоты. Применимость такого подхода физики продемонстрировали на пленке двумерного дисульфида молибдена MoS₂. Принцип метода основан на эффекте фотоупругости, при котором под действием механических напряжений в материале возникает оптическая анизотропия. В результате этого в деформированной пленке меняются значения элементов тензора нелинейной восприимчивости, из измерений которого можно получить и значения для тензора напряжений.

Измерения проводились в эксперименте по двухточечному изгибу пленки дисульфида молибдена, нанесенной на подложку из оксида кремния. Эту пленку исследователи облучали лазерным пучком с длиной волны 800 нанометров, и за счет возбуждения второй гармоники отраженный от нее свет имел в два раза меньшую частоту. Из-за деформации кристаллическая структура сульфида молибдена искажается и отраженный пучок света с удвоенной частотой меняет свою интенсивность. При этом интенсивность сигнала в зависимости от направления деформации будет по-разному изменяться для различной поляризации. Поэтому по измерениям параметров испущенного света с учетом поляризации можно определить значения коэффициентов фотоупругости и из них определить и значения элементов тензора напряжений.

С помощью предложенного подхода ученые также смогли построить карту механических напряжений в искривленной пленке сульфида молибдена. Чтобы продемонстрировать, что такой метод можно использовать и для построения карты напряжений, авторы работы использовали сульфид молибдена, осажденный на подложку, на которой с помощью литографии была нанесена текстура из пересекающихся полос высотой 115 нанометров. В результате осаждения на такую рельефную поверхность двумерный полупроводник деформировался, что приводило к неоднородному распределению напряжений, что ученые и измеряли в эксперименте.

В результате физикам удалось измерить поле напряжений в пленке с учетом его направления и величины в каждой точке с разрешением 280 нанометров, что значительно ниже дифракционного предела. Авторы работы отмечают, что предложенный ими метод значительно превосходит по своему разрешению, точности и полноте получаемой информации другие оптические методы, которые используются для анализа напряжений двумерных материалов: рамановскую и фотолюминесцентную спектроскопию.

Поскольку электронные свойства двумерных кристаллов очень чувствительны к состоянию решетки, то они сильно зависят не только от механических напряжений в кристалле, но и, например, от его тепловых свойств. Поэтому ученые также активно разрабатывают методы и для картирования температуры и теплового расширения двумерных кристаллов, включающих различное количество слоев.

Александр Дубов