ВВЕДЕНИЕ

Ширина линий фотолюминесценции (ФЛ) является важнейшей характеристикой качества полупроводниковых слоистых структур. Структуры высокого качества характеризуются малым неоднородным уширением линий. В случае квантовых ям, полученных одним из эпитаксиальных методов, неоднородное уширение линий ФЛ связано с флуктуациями ширины ямы, дефектами, неоднородной деформацией [1]. Гетероструктуры на основе дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ), полученные с помощью механической эксфолиации, также характеризуются значительным неоднородным уширением линий ФЛ. Времена жизни экситонов в них определяются излучательной рекомбинацией и лежат в диапазоне 1–10 пс, поэтому радиационная ширина линии ФЛ в таких структурах не превышает 1 мэВ [2]. Межэкситонное взаимодействие и взаимодействие экситонов с фононами дает дополнительный вклад в однородное уширение, который не превышает 1 мэВ. Таким образом, ширина линии ФЛ, превышающая 3 мэВ при гелиевых температурах связана с неоднородным уширением, в которое дают вклад различные процессы, в первую очередь пузыри на интерфейсах [3]. Существенное неоднородное уширение оказывается главным препятствием для спектроскопического изучения различных эффектов в ДПМ.

Многочисленные исследования показывают, что ширина линий фотолюминесценции неинкапсулированных монослоев ДПМ в атмосфере порядка 20–30 мэВ даже при гелиевых температурах [4]. Инкапсулирование монослоев, то есть помещение их между слоями гексагонального нитрида бора (hBN), позволяет существенно уменьшить ширину линий ФЛ [4, 5]. Ширина линий ФЛ инкапсулированных слоев при температуре 10 К – 3–15 мэВ, тогда как при комнатной температуре ~35 мэВ. Ширина линий ФЛ инкапсулированных структур, измеренная при гелиевых температурах, сильно зависит от технологии их изготовления [4].

Уширение линий ФЛ вызвано, в первую очередь, пузырями на интерфейсах, приводящими к неоднородной деформации, а также иными дефектами. Пузыри на интерфейсах структур хорошо разрешимы оптически, как это показано на рис. 1. Для того чтобы добиться минимальной ширины линии ФЛ, естественно выбирать однородные места на поверхности структур, то есть такие, где пузыри отсутствуют. Для этого пятно лазерного возбуждения уменьшалось с 8 до 3 мкм с помощью выбора фокусирующего объектива с максимальным увеличением и минимальным фокусным расстоянием. Оказалось, что в этом случае линии ФЛ перестают быть однородными, у них могут появляются плечи как с высокоэнергетической, так и с низкоэнергетической сторон. Так же в спектре начинают разрешаться линии, не разрешимые при большем размере пятна. Естественно предположить, что эти линии связаны с неоднородностями, не разрешимыми оптически. Для того чтобы подтвердить это предположение, в дополнение к измерениям ФЛ поверхность структур была изучена с помощью сканирующего электронного микроскопа. Кроме того, на поверхность одной из структур была оптически напылена непрозрачная маска с отверстиями диаметром 1.6 мкм. Эти исследования позволили установить, что тонкие линии, появляющиеся в спектре, связаны с неоднородностями субмикронного размера, которые являются центрами локализации экситонов и трионов.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И РЕЗУЛЬТАТЫ

Образцы, фотография одного из которых представлена на рис. 1, представляли собой инкапсулированные hBN монослои MoSe₂, которые помещались на подложку Si/SiO₂ с толщиной слоя SiO₂ 285 нм. Характерные толщины нижнего слоя hBN составляли 100–250 нм, верхний слой hBN, через который осуществлялось возбуждение ФЛ и сбор сигнала, выбирался толщиной 10–15 нм. Технология сборки таких гетероструктур описана в [4].

Измерения микроФЛ проводились при нерезонансном возбуждении одномодовым лазером с длиной волны 532 нм, который фокусировался на поверхности образца с помощью одного из объективов Mitutoyo (×10, ×20 или ×50) в пятно диаметром 3–8 мкм в диаметре. Измерения проводились в оптическом криостате при T = 2 К или в проточном криостате в диапазоне температур от 10 до 120 К. Сигнал люминесценции анализировался с помощью спектрометра и детектировался Пельтье-охлаждаемой ПЗС камерой.

Характерные спектры ФЛ инкапсулированных структур при разных уровнях накачки приведены на рис. 2. В спектрах ФЛ хорошо разрешаются линии ФЛ экситона X и отрицательно заряженного триона T. При повышении температуры линии ФЛ уширяются, а интенсивность линии триона относительно экситона постепенно падает из-за диссоциации трионов.

Экспериментально было обнаружено, что наиболее узкие линии ФЛ получаются в структурах с толщиной нижнего слоя hBN более 100 нм. Точная причина этого не ясна и требует дополнительного изучения, возможно, она связана с особенностями процесса приготовления гетероструктур.

Оказалось, что при уменьшении размера пятна лазерного возбуждения с 8 до 3 мкм, в линиях ФЛ начинают проявляться внутренняя структура и разрешаться линии, которые не были разрешимы при большем пятне. Кроме того, смещением лазерного пятна возбуждения на ~1 мкм с помощью прецизионной пьезо-подвижки можно добиться переигрывания разрешившихся узких линий, как это показано на рис. 3. Естественно предположить, что причиной этого является наличие латеральных неоднородностей на поверхности образцы.

На фотографии образца на рис. 1 хорошо различимы пузыри большого масштаба, диаметром более микрона. Однако описанные выше особенности линий ФЛ наводят на мысль о том, что кроме крупных пузырей, возможно существование неоднородностей субмикронного масштаба, не наблюдаемых визуально.

Для того чтобы проверить эту гипотезу, были проведены исследования поверхности инкапсулированных слоев MoSe₂ с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Результаты анализа поверхности, представленные на рис. 4, выявили существование пузырей субмикронных размеров на интерфейсах структур. Скорее всего, эти пузыри ответственны за узкие линии, которые начинают разрешаться при уменьшении размера пятна возбуждения и которые отвечают за тонкую перестройку спектра при микронных смещениях, как показано на рис. 3. В то время как неоднородности размером более микрона могут заметно изменять форму линии приводить к сдвигу ее максимума по энергии до 8 мэВ в зависимости от позиции на образце, внутри самих относительно однородных островков образца тоже возможна тонкая перестройка спектра, за которую отвечают неоднородности субмикронного размера. Этот вид неоднородностей стимулировал нас создать и исследовать структуру с напыленной на ней непрозрачной маской.

Для этого был приготовлен образец, содержащий инкапсулированный слой MoSe₂, с нанесенной на поверхность золотой маской, как показано на рис. 5. Толщина слоя золота 500 нм. В маске вытравлены отверстия диаметром 1.6 мкм, которые показаны при большом увеличении на рис. 6. Расстояния между центрами отверстий 10 мкм, что превышает размер лазерного пятна. На рис. 7 приведены спектры ФЛ, полученные при избирательном возбуждении каждого из двух отверстий, #1 и #2, указанных на рис. 5 стрелками, расстояние между центрами которых 10 мкм. Для сравнения на рис. 7 приведен спектр ФЛ, снятый на этом же образце при такой же температуре 10 К и сравнимом уровне лазерного возбуждения до нанесения металлической маски. Во-первых, видно, что внутренняя структура линий не видна в интегральном спектре, во-вторых, у линии ФЛ из отверстия #2, становится заметно плечо. Изображение электронного микроскопа на рис. 6 действительно показывает неоднородную внутреннюю структуру поверхности в отверстии #2, в то время как поверхность в отверстии #1 выглядит однородной. Действительно, линия ФЛ из отверстия #1 не имеет плеч. Таким образом, линии ФЛ, проявляющиеся при уменьшении размеров пятна возбуждения, связаны с ФЛ из пузырей субмикронного размера.

Распределение поля деформации в окрестности пузыря приводит к тому, что в пузыре расположен минимум энергии, в котором локализуются экситоны [6]. С учетом достаточно высокой плотности пузырей субмикронного размера возникает вопрос о том, существуют ли в данных структурах свободные, то есть нелокализованные экситоны и трионы.

То, что свободные экситоны существуют в подобных структурах доказывают измерения закона дисперсии экситонных поляритонов в широком диапазоне температур от 10 до 150 К, проведенные, например, в [7]. Согласно этой работе, спектры не демонстрируют никаких скачкообразных изменений, которые можно было бы ожидать при делокализации экситонов с температурой. Расщепление Раби и типичный поляритонный закон дисперсии наблюдался в составных структурах в работе [8], где исследовались поляритоны в гибридных слоях WSe₂–hBN, помещенных между высокодобротными брэгговскими зеркалами. Ответ на вопрос о свободных трионах не столь очевиден. В частности, в работе [8] наблюдается сильная связь между экситонами и фотонами микрорезонатора, в то время как для трионов эта связь слабая, что указывает на их сильную локализацию. Очевидно, что доля свободных и локализованных экситонов зависит от качества интерфейсов и может меняться от образца к образцу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование ФЛ инкапсулированных hBN монослоев MoSe₂ выявило зависимость спектров от размера пятна возбуждения: при его уменьшении у линий ФЛ экситонов и трионов возникали плечи или появлялись тонкие пики, весьма чувствительные к смещениям пятна возбуждения. Было выдвинуто предположение, что подобное поведение спектра является следствие наличия субмикронных пузырей на интерфейсах структур, не видимых оптическими методами. Изображения, полученные с помощью электронного сканирующего микроскопа, подтвердили это предположение. Они выявили существование пузырей размером меньше микрона. Кроме того, на одну из исследованных гетероструктур была напылена непрозрачная металлическая маска с отверстиями диаметром 1.6 мкм и расстоянием между ними, превышающим размер лазерного пятна. Измерения ФЛ из каждого из отверстий и сопоставление полученных спектров со снимками поверхности с помощью СЭМ подтвердили то, что пузырьки субмикронных размеров ответственны за наблюдаемые особенности в поведении спектров.

Работа выполнена в рамках темы государственного задания ИФТТ РАН.