刘世元：光谱椭偏测量揭示2D-MoS2介电函数的层数依赖规律

shadan

二维硫化钼(2D-MoS2)展现出非常新颖而优异的电学、光学特性，如较高的载流子迁移率、可调的能隙范围等，为未来微电子、光电子、能源、生物医学等领域开辟了新的方向。对2D-MoS2电学、光学等物理性质的精确表征与测量，是解释其新颖现象，实现其性能调控，进而获得广泛应用的基础。其中，2D-MoS2基本电学性质和光学性质具有特别重要的意义，分别用介电函数（包含实部ε1和虚部ε2）和光学常数（包含折射率n和消光系数k）来表征，两者之间可以相互转换。然而，由于2D-MoS2自身原子级的厚度对测量提出的巨大挑战及其在大面积、高质量样品制备方面的困难，有关2D-MoS2介电函数的层数依赖规律研究仍不够充分。

最近，华中科技大学刘世元教授课题组及翟天佑教授课题组与台湾交通大学何焱腾教授课题组合作，通过自主研制的高精度宽光谱穆勒矩阵椭偏仪，首次揭示了晶圆级2D-MoS2介电函数的层数依赖规律。通过发展一种称之为“两步法”的生长工艺，制备了晶元级层数可控的2D-MoS2均匀薄膜。为研究2D-MoS2介电函数对其层数的依赖关系，利用自主研制的高精度宽光谱穆勒矩阵椭偏仪（ME-L型椭偏仪，能量范围0.73-6.42eV，已由武汉颐光科技有限公司实现产业化），测得了不同层数2D-MoS2的椭偏参数并建模分析得到了它们的介电函数。借助临界点分析及能带分析法，精确获取了2D-MoS2介电函数虚部中的一系列临界点并对其物理成因进行了阐释。通过绘制2D-MoS2临界点处介电函数虚部强度与其层数的关系图，发现随MoS2层数的增加，其介电函数强度呈“W”状变化，这可归因为激子效应、节点态密度及质量密度三个因素随2D-MoS2厚度变化而交替竞争。

晶圆级高质量层数可控的2D-MoS2制备可加速其工业化应用进程，获取的2D-MoS2介电函数层数依赖规律有助于理解其物理本质，不仅展示了光谱椭偏测量方法的强大表征分析能力，也为2D-MoS2新型光电器件的优化设计提供了理论基础和指导作用。

相关工作以“Layer-Dependent Dielectric Function of Wafer-Scale 2D MoS2”为题，发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201801250)上，共同通讯作者为华中科技大学刘世元教授和翟天佑教授以及台湾交通大学何焱腾教授，共同第一作者为博士研究生宋宝坤和博士后研究员谷洪刚。