Estudo das propriedades óptico-térmicas em heteroestruturas de van der Waals (gipsita@MoS2) por Espectroscopia Raman e Fotoluminescência

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Tavares, Ivo Fernandes
Orientador(a): Souza Filho, Antônio Gomes de
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/81135
Resumo: Van der Waals (vdW) heterostructures have been a crucial platform for exploring two-dimensional materials, offering opportunities for innovations in electronics, optoelectronics, and photonics. Among the most investigated two-dimensional (2D) heterostructures, the graphene-MoS2 system stands out for its enhanced modulation of trions due to charge transfer, while the hBN-MoS2 heterostructure enhances the photoluminescence (PL) of MoS2 by reducing roughness and providing electrostatic shielding. On the other hand, gypsum (CaSO4 · 2H2O) is a 2D material that remains relatively unexplored and could serve as an intriguing substrate for MoS2, given its phase transitions near ambient temperatures. Therefore, this dissertation aims to fabricate samples of gypsum@MoS2 bilayer (2L) heterostructure through mechanical exfoliation and the pick-up method, and to investigate their optical-thermal properties using Raman and PL spectroscopy. Optical measurements were conducted at room temperature (300 K), under thermal annealing (343 K), and in-situ (123 to 423 K). From the PL results, we observed that bulk gypsum reduces the intensity of excitons A and B in MoS2-2L compared to SiO2, attributed to the induction of non-radiative states from gypsum’s hydrated structure. Furthermore, the interaction of gypsum@MoS2-2L induces compressive strain that increases the energies of excitons A and B. In contrast, few-layer gypsum, with lower water content and greater structural flexibility, applies less strain, resulting in a lower exciton A energy closer to that on SiO2. Raman analysis showed that gypsum exhibits slightly higher temperature coefficients of the E2g and A1g modes compared to SiO2, indicating greater thermal sensitivity in its vibrational modes. The blueshift in the A1g and E2g bands of MoS2 on gypsum suggests p-type doping likely due to the presence of sulfate ions, reinforced by the significantly higher A1g/E2g intensity ratio on gypsum, characteristic of materials with excess positive carriers. Our results highlight the notable thermal properties of gypsum as a substrate, opening promising prospects for the application of gypsum@MoS2 heterostructure in nanophotonic devices controlled via strain and doping.
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spelling Tavares, Ivo FernandesGadelha, Andreij de CarvalhoSouza Filho, Antônio Gomes de2025-05-30T19:15:30Z2025-05-30T19:15:30Z2024TAVARES, I. F. Estudo das propriedades óptico-térmicas em heteroestruturas de van der Waals (gipsita@MoS2) por Espectroscopia Raman e Fotoluminescência. 2024. Dissertação (Mestrado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/81135Van der Waals (vdW) heterostructures have been a crucial platform for exploring two-dimensional materials, offering opportunities for innovations in electronics, optoelectronics, and photonics. Among the most investigated two-dimensional (2D) heterostructures, the graphene-MoS2 system stands out for its enhanced modulation of trions due to charge transfer, while the hBN-MoS2 heterostructure enhances the photoluminescence (PL) of MoS2 by reducing roughness and providing electrostatic shielding. On the other hand, gypsum (CaSO4 · 2H2O) is a 2D material that remains relatively unexplored and could serve as an intriguing substrate for MoS2, given its phase transitions near ambient temperatures. Therefore, this dissertation aims to fabricate samples of gypsum@MoS2 bilayer (2L) heterostructure through mechanical exfoliation and the pick-up method, and to investigate their optical-thermal properties using Raman and PL spectroscopy. Optical measurements were conducted at room temperature (300 K), under thermal annealing (343 K), and in-situ (123 to 423 K). From the PL results, we observed that bulk gypsum reduces the intensity of excitons A and B in MoS2-2L compared to SiO2, attributed to the induction of non-radiative states from gypsum’s hydrated structure. Furthermore, the interaction of gypsum@MoS2-2L induces compressive strain that increases the energies of excitons A and B. In contrast, few-layer gypsum, with lower water content and greater structural flexibility, applies less strain, resulting in a lower exciton A energy closer to that on SiO2. Raman analysis showed that gypsum exhibits slightly higher temperature coefficients of the E2g and A1g modes compared to SiO2, indicating greater thermal sensitivity in its vibrational modes. The blueshift in the A1g and E2g bands of MoS2 on gypsum suggests p-type doping likely due to the presence of sulfate ions, reinforced by the significantly higher A1g/E2g intensity ratio on gypsum, characteristic of materials with excess positive carriers. Our results highlight the notable thermal properties of gypsum as a substrate, opening promising prospects for the application of gypsum@MoS2 heterostructure in nanophotonic devices controlled via strain and doping.Heteroestruturas de van der Waals (vdW) têm sido uma plataforma crucial para explorar materiais bidimensionais, oferecendo oportunidades para inovações em eletrônica, optoeletrônica e fotônica. Entre as heteroestruturas bidimensionais (2D) mais investigadas, o sistema grafeno-MoS2 destaca-se pela modulação aprimorada de tríons devido à transferência de carga, enquanto a heteroestrutura hBN-MoS2 aumenta a fotoluminescência (PL) do MoS2 pela redução de rugosidade e blindagem eletrostática. Por outro lado, a gipsita (CaSO4 · 2H2O) é um material 2D ainda não extensivamente estudado e que pode se tornar um substrato intrigante para o MoS2, pois apresenta transições de fases em temperaturas próximas à do ambiente. À vista disso, nesta dissertação buscamos fabricar amostras de heteroestrutura gipsita@MoS2-bicamada (2L), através da esfoliação mecânica e do método pick-up, e investigar suas propriedades óptico-térmicas via espectroscopia Raman e PL. As medidas ópticas foram conduzidas em temperatura ambiente (300 K), sob annealing térmico (343 K) e in-situ (123 a 423 K). Dos resultados de PL, observamos que a gipsita em forma de bulk reduz a intensidade dos éxcitons A e B do MoS2-2L em comparação ao SiO2, devido à indução de estados não-radiativos advindos da estrutura hidratada da gipsita. Além disso, a interação gipsita@MoS2-2L induz um strain compressivo que aumenta as energias dos éxcitons A e B. Em contraste, a gipsita few-layers, com menor conteúdo de água e maior flexibilidade estrutural, aplica menos strain, resultando em uma energia do éxciton A próxima à do SiO2. As análises Raman mostraram que a gipsita possui coeficientes de temperatura dos modos E2g e A1g ligeiramente superiores aos do SiO2, indicando maior sensibilidade térmica em seus modos vibracionais. O blueshift nas bandas A1g e E2g do MoS2 sobre a gipsita sugere dopagem tipo p devido provavelmente à presença de íons sulfato, reforçado pela razão de intensidade A1g/E2g significativamente maior na gipsita, típica de materiais com excesso de portadores positivos. Nossos resultados evidenciam as notáveis propriedades térmicas da gipsita como substrato, abrindo perspectivas promissoras para a aplicação da heteroestrutura gipsita@MoS2 em dispositivos nanofotônicos controlados via strain e dopagem.Estudo das propriedades óptico-térmicas em heteroestruturas de van der Waals (gipsita@MoS2) por Espectroscopia Raman e Fotoluminescênciainfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisHeteroestrutura de van der WaalsMoS2GipsitaStrainDopagemVan der Waals heterostructuresMoS2GypsumStrainDopingCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADAinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFC2024ORIGINAL2025_dis_iftavares.pdf2025_dis_iftavares.pdfapplication/pdf18529209http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/81135/3/2025_dis_iftavares.pdf1ccf78b767e376d2383a3ce6491952baMD53LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/81135/4/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD54riufc/811352025-05-30 16:15:33.439oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2025-05-30T19:15:33Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false
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