Dissertação de Mestrado #715 – Felipe Menescal Pinto de Medeiros – 15/12/2023

Trabalhos recentes mostraram que monocamadas de Dissulfeto de Tungstênio (WS2) crescidas por Deposição Química de Vapor (CVD) apresentam linhas de defeitos características que se estendem do centro do vértice das ilhas triangulares de WS2 ao centro. Cálculos computacionais mostram que esta região é energeticamente mais favorável para acúmulo de defeitos nestas regiões em especial, porém estes cálculos não determinam qual espécie atômica é responsável pelos efeitos observados.

Mediante uma colaboração a Pennsylvania State University (PSU), estudamos neste trabalho amostras de WS2 dopadas com Vanádio (V) em diferentes concentrações, crescidas por meio de CVD com auxílio de precursores contendo o dopante. É interessante notar que estas amostras são semicondutoras ferromagnéticas à temperatura ambiente, diferentemente dos seus homólogos não dopados, que são diamagnéticos.

O objetivo desta dissertação é estudar a qualidade cristalina dessas amostras por diversas técnicas ópticas lineares e não lineares, complementando com medidas de Microscopia de Varredura por Sonda (SPM). Resumidamente, procuramos verificar se a fabricação por CVD dessas amostras resulta monocamadas com uma dispersão homogênea de defeitos introduzidos pelo átomo de vanádio. Para tanto, obtivemos Imagens de Fluorescência (FI) que indicam claramente que existe uma região de defeitos unidimensional que se estende dos vértices aos centros dos flocos triangulares de WS2, assim como reportado em trabalhos anteriores. Realizamos medidas hiperespectrais (mapas) de fotoluminescência (PL) e espectroscopia Raman para amostras puras e dopadas com Vanádio com concentrações de 0.4 e 2% de V, que indicaram uma diferença estrutural nessa mesma região do floco. As medidas de PL mostram o surgimento de um novo estado excitônico nas amostras não puras, atribuído à introdução do Vanádio. As medidas de espectroscopia Raman mostram para a maior concentração de Vanádio ao longo das linhas bissetrizes, onde se observa um pequeno desvio negativo de energia dos modos vibracionais do WS2, que indicam um maior acúmulo de dopantes nessas regiões, criando um efeito de tensão na rede cristalina.

De forma complementar, utilizamos técnicas de óptica não-linear como Geração de Segundo Harmônico (SHG) e Mistura de Quatro Ondas (FWM) para observar esses mesmos defeitos. As imagens de SHG mostram que existe uma diferença estrutural entre as amostras puras e dopadas a 0.4% V em relação à amostra dopada a 2.0% V, que apresenta pouco sinal de segundo harmônico nas regiões em estudo. As medidas de FWM foram obtidas em diferentes comprimentos de onda, próximos aos picos de energia de PL. Fica evidente a presença de duas regiões de emissão de FWM, uma ressonante com o exciton do WS2 e outra ressonante com o pico atribuído à introdução de Vanádio.

Por fim, técnicas de Microscopia de Varredura por Sonda (força atômica, elétrica e lateral) foram empregadas para observar os efeitos mecânicos e elétricos da introdução de dopantes. Em resumo, por AFM, as mesmas regiões com defeitos reportadas anteriormente no WS2 relacionadas à maior concentração de defeitos apresentam uma altura maior em relação ao resto do floco. Por EFM, essa região tem um comportamento mais metálico, compatível com o restante das medidas ópticas apresentadas, pois indica a formação de um material com comportamento metálico ao substituir os átomos de Tungstênio (W) com Vanádio.

Neste trabalho foi possível verificar que amostras crescidas por CVD possuem uma distribuição não homogênea de defeitos relacionados ao dopante introduzido. Este resultado determina como diferentes técnicas ópticas podem ser utilizadas para identificar defeitos. Tais técnicas e suas combinações poderão ser utilizadas futuramente para se determinar qualidade de amostras crescidas com intuito de diminuir/eliminar os efeitos causados pelo crescimento da linha de defeitos, o que seria um passo importante para o uso destes materiais em grandes escalas num futuro próximo.