[학위논문]저온 주사 터널링 현미경 및 스펙트럼 분석법을 이용한 금속 칼코겐화 단일 결정체 표면의 연구 Investigation of Metal Chalcogenide Single Crystal by Using Low Temperature Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy원문보기
다른 전이 금속 디칼코겐 화합물과 비교하여, 리늄(Re) 기반의 물질들은 적층 구조가 낮은 대칭성을 가지고 있어 그로부터 유발되는 약한 층간 결합을 갖고 있을 뿐 아니라, 물질의 두께에 독립적인 물리적 특성을 나타낼 것으로 예상된다. 이처럼 소자 분야에 전망을 가지고 있음에도 불구하고, 리늄 기반의 화합물들의 준입자 밴드갭 등을 포함한 기본 물성에 대한 정보들은 상대적으로 부족하다. 우리는 저온 ...
다른 전이 금속 디칼코겐 화합물과 비교하여, 리늄(Re) 기반의 물질들은 적층 구조가 낮은 대칭성을 가지고 있어 그로부터 유발되는 약한 층간 결합을 갖고 있을 뿐 아니라, 물질의 두께에 독립적인 물리적 특성을 나타낼 것으로 예상된다. 이처럼 소자 분야에 전망을 가지고 있음에도 불구하고, 리늄 기반의 화합물들의 준입자 밴드갭 등을 포함한 기본 물성에 대한 정보들은 상대적으로 부족하다. 우리는 저온 주사 터널링 현미경, 타원 편광 분석법 및 각도 분해 광전자 분광법을 사용하여 왜곡된 한 층 삼사 결정 위상을 가진 체적 상태의 리늄 기반 디칼코제나이드 물질의 특성에 대해 연구했다. 180 K의 저온 영역에서, 우리는 처음으로 잘 정렬된 칼코젠 원자들의 배열 구조를 가지는 원자 분리 지형 이미지를 주사 터널링 현미경으로 획득하였고, 이셀레늄화 리늄(ReSe2) 과 이황화 리늄(ReS2)의 전자 밴드 간격이 각각 1.71 eV 와 1.58 eV로 측정된 결과를 확인했다. 동일한 온도 대역에서 광학 밴드 간격을 측정하여, 그 차이로 각각의 엑시톤결합 에너지를 추산하였을 때 이셀레늄화 리늄의 경우 이례적으로 큰 값인 370 meV, 이황화 리늄의 경우 50 meV의 값을 가졌다. 이황화 리늄과 비교하였을 때, 이셀레늄화 리늄의 층간 결합 강도는 매우 약하며 아주 강하게 작용하는 이차원 물성을 가지고 있기 때문에 체적 상태 에서조차 큰 엑시톤 결합 에너지를 이끌어낸다. 이에 따른 증거는 단층 시스템에서 수행된 스펙트럼 분석, 시간 분해 광전자 분광법 데이터 및 터널링 전류 측정 등을 통해 지원된다. 우리는 또한 체적 상태의 리늄 황 셀레늄 화합물에서 조정 가능한 엑시톤 결합 에너지를 제어할 수 있는 강한 가능성을 제안한다. 다음으로, 자료 저장 어플리케이션에서 게르마늄(Ge) 또는 텔루륨(Te) 기반의 합금 물질들과 관련하여, 게르마늄 텔루르화물(GeTe)은 이진 화합물로서 기술적으로 중요한 연구를 위한 원형일 뿐 아니라, 그 자체가 변위형 강 유전성을 가지고 있다. 다양한 전망에도 불구하고 원자 분해능을 가진 게르마늄 텔루르화물의 단일 결정체들의 물성에 대한 직접적인 실험 연구는 부족하다. 그래서, 저온 주사 터널링 현미경과 스펙트럼 분석을 사용하여 단일 결정 게르마늄 텔루르화물의 [111] 방향으로 절단된 표면 및 열처리 과정을 거친 표면에 대한 몇 가지 특성을 조사했다. 120 K에서 절단된 이 샘플은 78K에서 측정을 시도했을 때, 적어도 한 가지 유형의 안정적인 구역을 보여준다. 고유 결함 연구를 통해 –특히 게르마늄 공실 결함(VGe)- 우리는 절단된 구역의 종료 유형을 조사할 뿐만 아니라 게르마늄 공실 결함의 농도를 통해 강전 영역 단계를 검증한다. 또한 저항성 가열 프로세스를 통해 샘플에 에너지가 인가될 때, 게르마늄 공실 결함이 표면에 미치는 효과를 분석하고 이러한 특성을 체적 상태와 비교한다. 절단된 게르마늄 텔루르화물의 (111) 표면이 약 350 K 로 열처리되면, 안정적 테라스에 대한 저마늄 공실 결함의 농도가 증가하고 특정 방향을 따라 생성된다. 이 표면을 더 높은 온도인 375 K 으로 가열할 때, 게르마늄 공실 결함으로 구성된 확장된 1차원 라인 패턴들이 생성되는데, 이런 표면에서의 변화가 시발점이 되어 체적 시스템에서 마름모 위상 (Rhombohedral)에서 입방 위상(Cubic phase)으로 전환을 유도한다.
다른 전이 금속 디칼코겐 화합물과 비교하여, 리늄(Re) 기반의 물질들은 적층 구조가 낮은 대칭성을 가지고 있어 그로부터 유발되는 약한 층간 결합을 갖고 있을 뿐 아니라, 물질의 두께에 독립적인 물리적 특성을 나타낼 것으로 예상된다. 이처럼 소자 분야에 전망을 가지고 있음에도 불구하고, 리늄 기반의 화합물들의 준입자 밴드갭 등을 포함한 기본 물성에 대한 정보들은 상대적으로 부족하다. 우리는 저온 주사 터널링 현미경, 타원 편광 분석법 및 각도 분해 광전자 분광법을 사용하여 왜곡된 한 층 삼사 결정 위상을 가진 체적 상태의 리늄 기반 디칼코제나이드 물질의 특성에 대해 연구했다. 180 K의 저온 영역에서, 우리는 처음으로 잘 정렬된 칼코젠 원자들의 배열 구조를 가지는 원자 분리 지형 이미지를 주사 터널링 현미경으로 획득하였고, 이셀레늄화 리늄(ReSe2) 과 이황화 리늄(ReS2)의 전자 밴드 간격이 각각 1.71 eV 와 1.58 eV로 측정된 결과를 확인했다. 동일한 온도 대역에서 광학 밴드 간격을 측정하여, 그 차이로 각각의 엑시톤 결합 에너지를 추산하였을 때 이셀레늄화 리늄의 경우 이례적으로 큰 값인 370 meV, 이황화 리늄의 경우 50 meV의 값을 가졌다. 이황화 리늄과 비교하였을 때, 이셀레늄화 리늄의 층간 결합 강도는 매우 약하며 아주 강하게 작용하는 이차원 물성을 가지고 있기 때문에 체적 상태 에서조차 큰 엑시톤 결합 에너지를 이끌어낸다. 이에 따른 증거는 단층 시스템에서 수행된 스펙트럼 분석, 시간 분해 광전자 분광법 데이터 및 터널링 전류 측정 등을 통해 지원된다. 우리는 또한 체적 상태의 리늄 황 셀레늄 화합물에서 조정 가능한 엑시톤 결합 에너지를 제어할 수 있는 강한 가능성을 제안한다. 다음으로, 자료 저장 어플리케이션에서 게르마늄(Ge) 또는 텔루륨(Te) 기반의 합금 물질들과 관련하여, 게르마늄 텔루르화물(GeTe)은 이진 화합물로서 기술적으로 중요한 연구를 위한 원형일 뿐 아니라, 그 자체가 변위형 강 유전성을 가지고 있다. 다양한 전망에도 불구하고 원자 분해능을 가진 게르마늄 텔루르화물의 단일 결정체들의 물성에 대한 직접적인 실험 연구는 부족하다. 그래서, 저온 주사 터널링 현미경과 스펙트럼 분석을 사용하여 단일 결정 게르마늄 텔루르화물의 [111] 방향으로 절단된 표면 및 열처리 과정을 거친 표면에 대한 몇 가지 특성을 조사했다. 120 K에서 절단된 이 샘플은 78K에서 측정을 시도했을 때, 적어도 한 가지 유형의 안정적인 구역을 보여준다. 고유 결함 연구를 통해 –특히 게르마늄 공실 결함(VGe)- 우리는 절단된 구역의 종료 유형을 조사할 뿐만 아니라 게르마늄 공실 결함의 농도를 통해 강전 영역 단계를 검증한다. 또한 저항성 가열 프로세스를 통해 샘플에 에너지가 인가될 때, 게르마늄 공실 결함이 표면에 미치는 효과를 분석하고 이러한 특성을 체적 상태와 비교한다. 절단된 게르마늄 텔루르화물의 (111) 표면이 약 350 K 로 열처리되면, 안정적 테라스에 대한 저마늄 공실 결함의 농도가 증가하고 특정 방향을 따라 생성된다. 이 표면을 더 높은 온도인 375 K 으로 가열할 때, 게르마늄 공실 결함으로 구성된 확장된 1차원 라인 패턴들이 생성되는데, 이런 표면에서의 변화가 시발점이 되어 체적 시스템에서 마름모 위상 (Rhombohedral)에서 입방 위상(Cubic phase)으로 전환을 유도한다.
Compared to other transition metal dichalcogenide (TMDC) compounds, Re based TMD compounds not only show much weaker interlayer coupling due to the stacking layers with low symmetry; but also are thus expected to display thickness-independent physical properties. Despite its potential in device appl...
Compared to other transition metal dichalcogenide (TMDC) compounds, Re based TMD compounds not only show much weaker interlayer coupling due to the stacking layers with low symmetry; but also are thus expected to display thickness-independent physical properties. Despite its potential in device applications, the fundamental information in bulk Re-TMD compound is relatively scarce, including the nature of quasi particle bandgap. For this investigation, we studied the bulk crystalline ReX2 with distorted 1T phase using scanning tunneling microscopy and spectroscopy, and angle-resolved photoemission spectroscopy. The atom-resolved opography images show wellordered, diamond chain structures in agreement with the previous works. As well as, the spectroscopy data sets what we obtained from 180 K indicate that the electronic band gaps in ReS2 and ReSe2 are shown in 1.58 eV and 1.71eV, respectively. Compared to the measurement of optical band gap by using ellipsometry from same temperature region, the results what we obtained are attributed the simply estimated exciton binding energy in ReS2 and ReSe2 to 50 meV and 370 meV, respectively. This consequence suggests that the exciton binding energy in ReSe2 is much larger than that of ReS2. Furthermore, the interlayer-coupling strength in ReSe2 is much weaker compared to that of ReS2, indicating that the large exciton binding energy originates from the more two-dimensional nature of the layers in bulk ReSe2. This analysis is also clearly supported by our extra STS comparison with monolayer case, photoemission experiment data, and current versus distance measurement. We further suggest a strong possibility for controlling of tunable exciton binding energy in bulk ReSxSe2-x. Nextly, related to Ge- or Te- based alloy materials for data storage applications, GeTe is not only a prototype to study technologically important as a binary compound, but also itself has displacive ferroelectricity. Despite such diverse promising perspectives, direct experimental studies of GeTe single crystals with atomic resolution have been lacking. Here we investigated some characteristics for as-cleaved and annealed surfaces on single crystalline GeTe (111) surface by using low temperature scanning tunneling microscopy (LT-STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS). Cleaved at 120 K, GeTe(111) reveals at least one types of stable domain at 78 K. We not only investigate the termination type by intrinsic defect study with respect to especially a germanium vacancy (VGe), and but also verify the ferroelectric domain phase through concentration of VGe. Furthermore, we analyze the eect of VGe in surface region when energy through resistive heating process is applied, and compare these properties to the bulk case. Besides, we analyze the eect of VGe in surface region when energy through resistive heating process is applied, and compare these properties to the bulk case. If the as-cleaved GeTe surface is annealed to near 350 K, concentration of VGe on imageable and stable terraces are increased and they are created along the specic direction. When annealing this surface to higher temperature, we are also able to check that the creation of a number of extended one-dimensional line patterns composed VGes induces the trigger as a starting point : Rhombohedral to Cubic phase transition in bulk system.
Compared to other transition metal dichalcogenide (TMDC) compounds, Re based TMD compounds not only show much weaker interlayer coupling due to the stacking layers with low symmetry; but also are thus expected to display thickness-independent physical properties. Despite its potential in device applications, the fundamental information in bulk Re-TMD compound is relatively scarce, including the nature of quasi particle bandgap. For this investigation, we studied the bulk crystalline ReX2 with distorted 1T phase using scanning tunneling microscopy and spectroscopy, and angle-resolved photoemission spectroscopy. The atom-resolved opography images show wellordered, diamond chain structures in agreement with the previous works. As well as, the spectroscopy data sets what we obtained from 180 K indicate that the electronic band gaps in ReS2 and ReSe2 are shown in 1.58 eV and 1.71eV, respectively. Compared to the measurement of optical band gap by using ellipsometry from same temperature region, the results what we obtained are attributed the simply estimated exciton binding energy in ReS2 and ReSe2 to 50 meV and 370 meV, respectively. This consequence suggests that the exciton binding energy in ReSe2 is much larger than that of ReS2. Furthermore, the interlayer-coupling strength in ReSe2 is much weaker compared to that of ReS2, indicating that the large exciton binding energy originates from the more two-dimensional nature of the layers in bulk ReSe2. This analysis is also clearly supported by our extra STS comparison with monolayer case, photoemission experiment data, and current versus distance measurement. We further suggest a strong possibility for controlling of tunable exciton binding energy in bulk ReSxSe2-x. Nextly, related to Ge- or Te- based alloy materials for data storage applications, GeTe is not only a prototype to study technologically important as a binary compound, but also itself has displacive ferroelectricity. Despite such diverse promising perspectives, direct experimental studies of GeTe single crystals with atomic resolution have been lacking. Here we investigated some characteristics for as-cleaved and annealed surfaces on single crystalline GeTe (111) surface by using low temperature scanning tunneling microscopy (LT-STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS). Cleaved at 120 K, GeTe(111) reveals at least one types of stable domain at 78 K. We not only investigate the termination type by intrinsic defect study with respect to especially a germanium vacancy (VGe), and but also verify the ferroelectric domain phase through concentration of VGe. Furthermore, we analyze the eect of VGe in surface region when energy through resistive heating process is applied, and compare these properties to the bulk case. Besides, we analyze the eect of VGe in surface region when energy through resistive heating process is applied, and compare these properties to the bulk case. If the as-cleaved GeTe surface is annealed to near 350 K, concentration of VGe on imageable and stable terraces are increased and they are created along the specic direction. When annealing this surface to higher temperature, we are also able to check that the creation of a number of extended one-dimensional line patterns composed VGes induces the trigger as a starting point : Rhombohedral to Cubic phase transition in bulk system.
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