Mapping defects in vanadium-doped WS2 monolayers by linear and nonlinear optics

Abstract

Neste trabalho investigamos as propriedades eletrônicas e vibracionais de monocamadas de WS2 dopadas com concentrações de 0%, 0,4% e 2,0% de vanádio (V-WS2), sintetizadas via Deposição Quimica à Vapor. Utilizamos diversas técnicas ópticas lineares e não-lineares, incluindo espectroscopia Raman, Fotoluminescência (PL), Gerador de Segundo Harmônico e Mistura de Quatro Ondas, e, também, Microscopia de Varredura por Sonda. Imagens de fluorescência indicam a existência de uma região de defeitos unidimensional que se estende dos vértices aos centros dos flocos triangulares das monocamadas de V-WS2, indicando que a concentração de dopantes é não-homogênea dessas amostras. Mapas hiperespectrais de PL e Raman em amostras com concentrações de 0%, 0,4% e 2,0% V-WS2 indicam não-homeogenidades estruturais nessa mesma região. É observado o surgimento de um novo estado excitônico em torno de 1,8-1,9 eV nas amostras não puras, atribuído à introdução do vanádio. Além disso, para amostras altamente dopadas, observa-se um desvio negativo de energia dos modos vibracionais de primeira ordem do WS2 nas bissetrizes dos flocos, indicando que há acúmulo maior de dopantes nessas regiões, criando um efeito de tensão mecânica na rede cristalina. Medidas de ótica não-linear confirmam a presença de duas regiões de emissão, uma ressonante com o éxciton do WS2 e outra ressonante com o pico atribuído à introdução de vanádio. Medidas de Microscopia de Força Elétrica nessa região mostram um comportamento mais metálico ao substituir os átomos de tungstênio com vanádio. Nossos resultados estabelecem as técnicas de espectroscopia linear e não-linear como uma ferramenta versátil, forte e não-destrutiva para caracterizar as amostras 2D dopadas por substituição metálica. Nossos estudos podem ser úteis para melhorias e eficiência no controle desses defeitos, contribuindo para a síntese e aplicações destes materiais em grandes escalas num futuro próximo.