Surface Photovoltage of MoS2 Monolayers on Au Nanodot and Nanohole Arrays

Abstract

In this work, MoS2 monolayer flakes were transferred on two kinds of plasmonic Au nanostructures – nanodot (ND) and nanohole (NH) arrays – and their physical properties were investigated. The differential reflectance spectra of MoS2/ND and MoS2/NH had clear features originated from excitation of localized surface plasmon and propagating surface plasmon polaritons, respectively. Both these samples exhibited enhanced photoluminescence intensity compared with MoS2 monolayer flakes on bare SiO2/Si substrates. Especially, the surface photovoltage signals at the visible wavelength range of these hybrid systems had opposite polarities, indicating negative and positive charging at MoS2/ND and MoS2/NH, respectively. Surface potential maps suggested that the potential gradient led to distinct spatial distributions of photo-generated charges in these samples, which was revealed by Kelvin probe force microscopy. The surface photovoltage spectra of MoS2/ND and MoS2/NH could be explained based on calculated optical field intensity distributions as well as the local potential maps. This work shows that the geometric configuration of the plasmonic nanostructures can modify the polarity of photo-generated excess charges in MoS2. These findings suggest a useful means of optimizing optoelectronic characteristics and improving the performance of MoS2-based plasmonic devices.;본 학위 논문에서는 두 가지 plasmonic 금 나노구조 – nanodot (ND)과 nanahole (NH) – 위에 MoS2 단일층 flakes를 적층시키고 물리적 특성을 연구하였다. MoS2/ND과 MoS2/NH의 차등 반사율 스펙트럼은 localized surface plasmon과 propagating surface plasmon의 여기로 인해 나타나는 분명한 특징을 보여준다. 두 샘플 (MoS2/ND, MoS2/NH)은 SiO2/Si 기판 위의 MoS2 단일층과 비교했을 때, 증진된 photoluminescence 세기를 나타낸다. 특히, 이러한 hybrid system의 가시광 영역에서의 surface photovoltage (SPV) 신호는 반대 극성을 가지며, 이는 MoS2/ND와 MoS2/NH가 각각 음전하와 양전하로 대전됨을 나타낸다. Kelvin probe force microscopy로 측정된 surface potential maps은 전위 경도 (potential gradient)가 이러한 샘플에서 광 생성 전하의 뚜렷한 공간 분포로 이어졌음을 시사하였다. MoS2/ND 및 MoS2/NH의 SPV 스펙트럼은 local potential maps 뿐만 아니라 계산된 optical field intensity 분포를 기반으로 설명할 수 있다. 이 연구는 plasmonic 나노구조의 기하학적 구성이 MoS2에서 광 생성 과잉 전하의 극성을 조정할 수 있음을 보여준다. 이러한 발견은 광전자 특성을 최적화하고 MoS2 기반의 plasmonic 장치의 성능을 개선하는 유용한 수단을 제안한다.