mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2020-8-6-121-129mireabulletin-263Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSГенерация терагерцевого излучения с поверхности объемного слоистого и монослойного диселенида вольфрамаTerahertz generation from surface of the bulk and monolayer tungsten diselenidehttps://orcid.org/0000-0003-1332-4146ХусяиновД. И.KhusyainovD. I.

Хусяинов Динар Ильгамович, аспирант, младший научный сотрудник учебно-научной лаборатории фемтосекундной оптики для нанотехнологий Физико-технологического института ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет»

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

ResearcherID: O-7241-2017, Scopus Author ID: 57194467463

Dinar I. Khusyainov, Postgraduate Student of the Specialized Educational and Research Laboratory of Femtosecond Optics for Nanotechnologies, Institute of Physics and Technology

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454

ResearcherID: O-7241-2017, Scopus Author ID: 57194467463

d.khusyainov@gmail.comГорбатоваА. В.GorbatovaA. V.

Горбатова Анастасия Владимировна, магистр учебно-научной лаборатории фемтосекундной оптики для нанотехнологий Физико-технологического института ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет»

 119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Anastasiya V. Gorbatova, Master of the Specialized Educational and Research Laboratory of Femtosecond Optics for Nanotechnologies, Institute of Physics and Technology

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454

https://orcid.org/0000-0002-3347-9076БуряковА. М.BuryakovA. M.

Буряков Арсений Михайлович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник учебно-научной лаборатории фемтосекундной оптики для нанотехнологий Физико-технологического института ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет»

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

ResearcherID: E-8283-2017, Scopus Author ID: 55454206600

Arseniy M. Buryakov, Cand. Sci. (Physics and Mathematics), Senior Researcher of the Specialized Educational and Research Laboratory of Femtosecond Optics for Nanotechnologies, Institute of Physics and Technology

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454

ResearcherID E-8283-2017, Scopus Author ID: 55454206600

МИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation20201812202086121129Copyright © Хусяинов Д.И., Горбатова А.В., Буряков А.М., 20202020Хусяинов Д.И., Горбатова А.В., Буряков А.М.Khusyainov D.I., Gorbatova A.V., Buryakov A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/263

Исследование сверхбыстрого лазерного взаимодействия с графеноподобными материалами на основе дихалькогенидов переходных металлов привлекает большое количество научных коллективов. В первую очередь это связано с потенциальным использованием этих материалов в гибких оптоэлектронных устройствах видимого и терагерцевого диапазона (ТГц-диапазона). В работе проанализированы параметры генерации терагерцевого поля с поверхности объемного слоистого кристалла и монослойной пленки диселенида вольфрама. Генерация терагерцевого излучения с поверхности экспериментальных образцов была исследована методом терагерцевой спектроскопии временного разрешения в геометрии на отражение. Объемный слоистый кристалл диселенида вольфрама был выращен методом газотранспортных реакций. Монослойные кристаллиты диселенида вольфрама были получены методом химического осаждения из газовой фазы. Ширина спектра генерируемого терагерцевого излучения с поверхности объемного слоистого кристалла диселенида вольфрама составила ~ 3.5 ТГц. Для монослойной пленки диселенида вольфрама этот показатель составил ~ 2.5 ТГц. Пиковое значение амплитуды генерируемого терагерцевого поля для обоих образцов соответствовало частоте ~ 1 ТГц. Изучено влияние угла поворота плоскости поляризации оптической фемтосекундной накачки на величину размаха колебания импульса терагерцевого поля, генерируемого с поверхности объемного слоистого кристалла и монослойной пленки диселенида вольфрама. Симметрийный анализ азимутальной зависимости ТГц-излучения позволил разделить механизмы этого излучения и оценить их вклад. На основе результатов анализа было подтверждено, что единственно возможным вкладом в генерацию терагерцевого излучения в монослойном кристалле диселенида вольфрама выступает нелинейно-оптический эффект второго порядка – оптическое выпрямление. В объемном слоистом кристалле диселенида вольфрама одним из вкладов в генерацию терагерцевого излучения является нелинейно-оптический эффект третьего порядка – поверхностное оптическое выпрямление.

The study of ultrafast laser interaction with graphene-like materials based on transition metal dichalcogenides attracts most scientific groups. It is connected with potential use of these materials in flexible optoelectronic devices of visible and THz range. In this paper the parameters of generation of terahertz field from the surface of bulk layered crystal and monolayer film of tungsten diselenide are analyzed. Generation of terahertz radiation from the surface of experimental samples was studied by the terahertz time-domain spectroscopy in reflection geometry. Bulk layered crystals of tungsten diselenide were grown by gas transport reactions. Monolayers of tungsten diselenide crystals were grown by chemical vapor deposition on a silicon substrate. The bandwidth of the generated terahertz radiation from the surface of the bulk layered tungsten diselenide crystal was ~ 3.5 THz. For tungsten diselenide monolayer the spectrum bandwidth of the generated THz radiation was ~ 2.5 THz. The peak amplitude of the generated terahertz field for both samples was at a frequency of ~ 1 THz. Research of the influence of the angle of rotation of a polarization plane of optical femtosecond pump on peak-to-peak amplitude of the generated terahertz field from the surface of investigated samples was carried out. Symmetry analysis of the azimuthal dependence of THz radiation made it possible to separate the mechanisms of THz radiation and evaluate their contribution. The analysis results confirm that the only possible contribution to the generation of terahertz radiation in a tungsten diselenide monolayer crystal is the second order nonlinear optical effect – optical rectification. One of the contributions to the generation of tungsten diselenide is a nonlinear-optical effect of the third order – surface optical rectification.

двумерные полупроводникидихалькогениды переходных металлов (ДПМ)диселенид вольфрама (WSe2)ТГц-спектроскопия временного разрешенияtwo dimensional semiconductorstransition metal dichalcogenidestungstein diselenideTHz time-domain spectroscopyРабота выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-32-00886 и РТУ МИРЭА в рамках научного проекта НИЧ-46.ReferencesKumar A., Ahluwalia P.K. Electronic structure of transition metal dichalcogenides monolayers 1H-MX2 (M = Mo, W; X = S, Se, Te) from ab-initio theory: new direct band gap semiconductors. Eur. Phys. J. B. 2012;85(6.):186-193. https://doi.org/10.1140/epjb/e2012-30070-xKumar A., Ahluwalia P.K. Electronic structure of transition metal dichalcogenides monolayers 1H-MX2 (M = Mo, W; X = S, Se, Te) from ab-initio theory: new direct band gap semiconductors. Eur. Phys. J. B. 2012;85(6.):186-193. https://doi.org/10.1140/epjb/e2012-30070-xDe Fazio D., Goykhman I., Yoon D., Bruna M., Eiden A., Milana S., Sassi U., Barbone M., Dumcenco D., Marinov K., Kis A., Ferrari A.C. High Responsivity, Large-Area Graphene/MoS2 Flexible Photodetectors. ACS Nano. 2016;10(9):8252-8262. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b05109De Fazio D., Goykhman I., Yoon D., Bruna M., Eiden A., Milana S., Sassi U., Barbone M., Dumcenco D., Marinov K., Kis A., Ferrari A.C. High Responsivity, Large-Area Graphene/MoS2 Flexible Photodetectors. ACS Nano. 2016;10(9):8252-8262. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b05109Gorbatova A.V., Khusyainov D.I., Buryakov A.M. Terahertz Emission from a Monolayer Tungsten Diselenide Surface. Tech. Phys. Lett. 2019;45(12):1262-1265. https://doi.org/10.1134/S1063785019120204Gorbatova A.V., Khusyainov D.I., Buryakov A.M. Terahertz Emission from a Monolayer Tungsten Diselenide Surface. Tech. Phys. Lett. 2019;45(12):1262-1265. https://doi.org/10.1134/S1063785019120204Zhang L., Huang Y., Zhao Q., Zhu L., Yao Z., Du W., Xu X.Terahertz surface emission of d-band electrons from a layered tungsten disulfide crystal by the surface field. Phys. Rev. B. 2017;96(15.):155202-1-155202-8. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.155202Zhang L., Huang Y., Zhao Q., Zhu L., Yao Z., Du W., Xu X.Terahertz surface emission of d-band electrons from a layered tungsten disulfide crystal by the surface field. Phys. Rev. B. 2017;96(15.):155202-1-155202-8. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.155202Huang Y., Zhu L., Zhao Q., Guo Y., Ren Z., Bai J., Xu X. Surface Optical Rectification from Layered MoS2 Crystal by THz Time-Domain Surface Emission Spectroscopy. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017;9(5):4956-4965. https://doi.org/10.1021/acsami.6b13961Huang Y., Zhu L., Zhao Q., Guo Y., Ren Z., Bai J., Xu X. Surface Optical Rectification from Layered MoS2 Crystal by THz Time-Domain Surface Emission Spectroscopy. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017;9(5):4956-4965. https://doi.org/10.1021/acsami.6b13961Sahin H., Tongay S., Horzun S., Fan W., Zhou J., Wu J., Peeters F.M. Anomalous Raman spectra and thickness-dependent electronic properties of WSe2. Phys. Rev. B. 2013;87(16):165409-1-165409-6. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.165409Sahin H., Tongay S., Horzun S., Fan W., Zhou J., Wu J., Peeters F.M. Anomalous Raman spectra and thickness-dependent electronic properties of WSe2. Phys. Rev. B. 2013;87(16):165409-1-165409-6. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.165409Ribeiro-Soares J., Almeida R.M., Barros E.B., Araujo P.T., Dresselhaus M.S., Cancado L.S., Jorio A. Group theory analysis of phonons in two-dimensional transition metal dichalcogenides. Phys. Rev. B. 2014;90(11):115438-1-115438-10. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.115438Ribeiro-Soares J., Almeida R.M., Barros E.B., Araujo P.T., Dresselhaus M.S., Cancado L.S., Jorio A. Group theory analysis of phonons in two-dimensional transition metal dichalcogenides. Phys. Rev. B. 2014;90(11):115438-1-115438-10. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.115438Si K., Huang Y., Zhao Q., Zhu L., Zhang L., Yao Z., Xu X. Terahertz surface emission from layered semiconductor WSe2. Appl. Surf. Sci. 2018;448:416-423. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.04.117Si K., Huang Y., Zhao Q., Zhu L., Zhang L., Yao Z., Xu X. Terahertz surface emission from layered semiconductor WSe2. Appl. Surf. Sci. 2018;448:416-423. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.04.117Gaivoronskii V.Y., Nazarov M.M., Sapozhnikov D.A., Shepelyavyi Y.V., Shkel՚nyuk S.A., Shkurinov A.P., Shuvaev A.V. Competition between linear and nonlinear processes during generation of pulsed terahertz radiation in a ZnTe crystal. Quantum Elec. 2005;35(5):407-414. https://doi.org/10.1070/QE2005v035n05ABEH002805Gaivoronskii V.Y., Nazarov M.M., Sapozhnikov D.A., Shepelyavyi Y.V., Shkel՚nyuk S.A., Shkurinov A.P., Shuvaev A.V. Competition between linear and nonlinear processes during generation of pulsed terahertz radiation in a ZnTe crystal. Quantum Elec. 2005;35(5):407-414. https://doi.org/10.1070/QE2005v035n05ABEH002805Beal A.R., Liang W.Y., Hughes H.P. Kramers-Kronig analysis of the reflectivity spectra of 3R-WS2 and 2H-WSe2. J. Phys. C: Solid State Phys. 1976;9(12):2449-2457. https://doi.org/10.1088/0022-3719/9/12/027Beal A.R., Liang W.Y., Hughes H.P. Kramers-Kronig analysis of the reflectivity spectra of 3R-WS2 and 2H-WSe2. J. Phys. C: Solid State Phys. 1976;9(12):2449-2457. https://doi.org/10.1088/0022-3719/9/12/027

The authors declare that there are no conflicts of interest present.