Observation of Graphite-Like and Diamond-Like Nanostructures in the Raman Spectra of Natural and Synthesized MoS2 Crystals with Small Carbon Additives

Н.Е. Корнієнко; А.П. Науменко; Л.М. Куліков

doi:10.15330/pcss.21.4.598-620

Автор(и)

Н.Е. Корнієнко Київський національний університет імені Тараса Шевченка
А.П. Науменко Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Л.М. Куліков Інститут проблем матеріалознавства ім. І. Францевича НАН України

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.21.4.598-620

Ключові слова:

MoS2 нанокристаліти, монокристал MoS2, Раманівська спектроскопія, графітоподібні наноструктури, алмазоподібні наноструктури

Анотація

Проведено порівняльне вивчення рамановских спектрів при збудженні лазерним випромінюванням λL = 632,8 нм і 488 нм природних кристалів молібденіту 2H-MoS2 і синтезованих CVD методом нанокристалітів (НК) MoS2 (C), що містять 0,5 і 1,0 мас.% вуглецю. Проведено детальний чисельний аналіз форми спостережуваних D і G смуг, включаючи їх розкладання на складові спектральні компоненти, а також порівняння зі спектрами детонаційних наноалмазів (~ 5 нм) і невпорядкованого графіту. Встановлено наявність коливальних смуг графітоподобних (1330-1640см-1) і алмазоподібних (1168-1309 см-1) структур. Проаналізовано ускладнення спектрів графітоподобних і алмазоподібних структур з виникненням додаткових спектральних компонент 1440-1500 см-1 і 1230-1270 см-1 в результаті послідовних процесів подвоєння розмірів відповідних елементарних квазікомірок. Проведено ідентифікацію всіх спостережуваних спектральних компонент вуглецевих наноструктур і MoS2. Показано, що частоти D смуг алмазоподібних наноструктур 1297 ÷ 1302 см-1 не залежать від λL на відміну від зміни частот смуг G (k). Вперше встановлено значний вплив резонансного випромінювання 632,8 нм на електронні стани і властивості НК MoS2 (С). Встановлено посилення D смуг алмазоподібної структури і впорядкування графітової структури при зростанні вмісту вуглецю в нанокристалах MoS2 (С). Розглянуто зміну частот смуг D, G і G (k) при посиленні ступеня розвпорядкування алмазо- і графітоподібних структур. Обговорюються питання впливу лазерного випромінювання на вуглецеві структури.

Посилання

M. Samadi, N. Sarikhani, M. Zirak, H. Zhang, H.-L.Zhang, A. Z. Moshfeg, Nanoscale Horiz. 3(3), 90 (2018) (https://doi.org/ 10.1039/c7nh00137a).

J. Ping, Z. Fan, M. Sindoro, Y. Ying, and H. Zhang, Adv. Funct. Mater. 27(19), 1605817 (2017) (https://doi.org/10.1002/adfm.201605817).

Q. Lv, Ruitao Lv, Carbon, 145, 240 (2019) (https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.01.008).

X. Zong, H. Yan, G. Wu, G. Ma, F. Wen, L. Wang, and C. Li, J. Am. Chem. Soc. 130(23), 7176 (2008) (https://doi.org/10.1021/ja8007825).

T. Daeneke, N. Dahr, P. Atkin, R.M. Clark C.J. Harrison, et.al., ACS Nano 11(7), 6782 (2017). (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b01632).

N.E. Kornienko, Ukr. J. Phys. 47(4), 361 (2002).

F. Banhart, P.M. Ajayan, Nature 382, 433 (1996) (https://doi.org/10.1038/382433a0).

Anke Krueger, Carbon Materials and Nanotechnology, (WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2010) (https://doi.org/10.1002/9783527629602.ch7).

F. Banhart, Phys. Sol. State 44(3), 399 (2002) (https://doi.org/10.1134/1.1462655).

L.T. Daulton, M.A. Kirk MA, R.S. Lewis, L.E. Rehn, Nucl. Inst.Meth. Phys. Res. B 175-177, 12 (2001)

(DOI: 10.1016/S0168-583X(00)00603-0).

P. Wesolowski, Y. Lyutovich, F. Banhart, H. D. Carstanjen and H. Kronmuller, Appl. Phys. Lett., 71(15), 1948 (1997) (https://doi.org/10.1063/1.119990).

R. Nu¨ske, A. Jurgilaitis, H. Enquist, M. Harb, Y. Fang, U. Hakanson, and J. Larsson, Appl. Phys. Lett. 100(4), 043102 (2012).

N.E. Kornienko, A.P. Naumenko, V.O. Gubanov, V.E. Fedorov., S.B. Artemkina, International research and particle conference Nanotechnology and Nanomaterials (NANO-2019) (Lviv, Ukraine, 2019).

N.Е. Kornienko, Visnyk Kyivskogo Universytetu [Kyiv University Bulletin] 3, 489 (2006) (in Ukrainian).

N.E. Kornienko, N.P. Kulish, S.A. Alekseev, O.P. Dmitrenko, and E.L. Pavlenko, Optics and Spectroscopy, 109(5), 742 (2010) (https://doi.org/10.1134/S0030400X10110147).

M. Kornienko, A. Naumenko, Ukr. J.Phys. 59(3), 339 (2014) (https://doi.org/10.15407/ujpe58.02.0151).

N.E. Kornienko and A.P. Naumenko, Chemical Functionalization of Carbon Nanomaterials: Chemistry and Application (Eds. V.K.Thakur and M.K.Thakur) (Boca Raton–London–New York: CRC Press: 2015), chapter 5, 103 (2015).

V.V. Sobolev, V.V. Nemoshkalenko. Methods of computational physics in the theory of solids (Kiev, Naukova dumka, 1990) (In Russian).

X. Zhang, X.-F. Qiao, W. Shi, J.-B. Wu, D.-S. Jiang, and P.-H. Tan, Chem. Soc. Rev. arXiv:1502.00701v1 [cond-mat.mtrl-sci] 3 Feb 2015.

X. Zhang, W.P. Han, J.B. Wu, S. Milana, Y. Lu, Q.Q. Li, A.C. Ferrari, and P.H. Tan, Phys. Rev. B, 87(11), 115413 (2013) (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.115413).

G.L. Frey, R. Tenne, M.J. Matthews, M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Phys. Rev. B 60(4), 2883 (1999) (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.60.2883).

J.M. Chen and C.S. Wang, Solid State Communications, 14(9), 857 (1974) (https://doi.org/10.1016/0038-1098(74)90150-1).

B.C. Windom, W.G. Sawyer, D.W. Hahn, Tribol Lett. 42(3), 301 (2011) (https://doi.org/10.1007/s11249-011-9774-x).

C. Ataca, M. Topsakal, E. Akturk, and S. Ciraci, J. Phys. Chem. C 115(33), 16354 (2011) (https://doi.org/10.1021/jp205116x).

Light Scattering in Solids II. Basic Concepts and Instrumentation, Edited by M. Cardona and G.Guntherodt (Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1982).

L. Akselrud, Y. Grin, J. Appl. Crystallogr. 47(2), 803 (2014) (https://doi.org/10.1107/S1600576714001058).

Preparation and crystal growth of materials with layered structures”, R.M.A. Lieth (ed.), (Dordrecht-Boston, 1977), chapter 4, R.M.A. Lieth, J.C.J.M. Terhell. Transition Metal Dichalcogenides, 141-223 (https://doi.org/10.1007/978-94-017-2750-1_4).

I.G. Vasilyeva, I.P. Asanov, L.M. Kulikov. J. Phys. Chem. C, 119(40), 23259 (2015) (https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b07485).

A. Naumenko, L. Kulikov, N. Konig, Ukr. J. Phуs. 61(6), 556 (2016) (https://doi.org/10.15407/ujpe61.06.0561).

S.S. Bukalov, L.A. Leites, R.R. Aysin, Advanced Materials Letters 10(8), 550(2019) (https://doi.org/10.5185/amlett.2019.2268).

A.P. Naumenko, N.E. Kornienko, V.M. Yashchuk, V.N. Bliznyuk, S. Singamaneni, Ukr. J. Phys. 57(2), 197 (2012).

A.P. Naumenko, N.E. Korniyenko, V.N. Yaschuk, S. Singamaneni,and V.N. Bliznyuk, Raman Spectroscopy for Nanomaterials Characterization, C. Kumar (ed.) (Springer- Verlag. Berlin Heidelberg. 2012).

O.Yu. Posudievsky, O.A. Khazieieva, V.V. Cherepanov, G.I. Dovbeshko, A.G. Shkavro, V.G. Koshechko, and V.D. Pokhodenko, J. Mater. Chem. C 1(39), 6411 (2013).

A.C. Ferrari and J. Robertson, Phys. Rev.B, 64(7), 075414 (2001) (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.64.075414).

A.C. Ferrari and J. Robertson, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 362(1824), 2477 (2004) (https://doi.org/10.1098/rsta.2004.1452).

O.O. Mykhaylyk, Y.M. Solonin, D.N. Batchelder, R. Brydson, J. Appl. Phys. 97(7), 074302 (2005). (https://doi.org/10.1063/1.1868054).

P.H. Tan, S. Dimovski and Y. Gogotsi, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 362, 2289 (2004) (https://www.jstor.org/stable/4488953).

P.H. Tan, Y.M. Deng, and Q. Zhao, Phys. Rev. B, 58(9), 5435 (1998).

C. Thomsen and S. Reich, Phys. Rev. Lett. 85(24), 5214 (2000).

C. Thomsen and S. Reich, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 362(1824), 2271 (2004).

M.A. Pimenta, G. Dresselhaus, M.S. Dresselhaus, L.G. Cancёado, A. Jorioa and R. Saito, Phys. Chem. Chem. Phys. 9(11), 1276 (2007) (https://doi.org/10.1039/B613962K).

V.A. Karavanskii, N.N. Mel'nik T.N. Zavaritskaya, JETP Lett. 74(3), 186 (2001) (https://doi.org/10.1134/1.1410227).

N.E. Kornienko, A.D. Rud, A.N. Kirichenko, Izvestiya vuzov, Chimiya i chimicheskaya technologiya 58(5), 25 (2015).

N.E. Kornienko, A.D. Rud, A.N. Kirichenko In: “Carbon: Fundamental Problems of Science, Material Research, Technology” (Proseedings og 9-th International Conference, Moscow, Troitsk, 2014).

N.E. Kornienko, A.N. Kirichenko, In: Proseedingsof XXV Congress on Spectroscopy (Moscow-Troitsk, 2016). Р. 291.

А.L. Vereshchagin, The properties of detonated diamonds (Barnaul, 2005).

H. Motahari and R. Malekfar, International Journal of Optics and Photonics (IJOP) 13(1), 3 (2019).

S. Osswald, V.N. Mochalin, M. Havel, G. Yushin, and Y. Gogotsi, Phys. Rev. 80(7), 075419 (2009) (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.075419).

J. Maultzsch, S. Reich, C. Thomsen, H. Requardt, and P. Ordejo´n, Phys.Rev. Lett. 92(7), 075501 (2004) (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.075501).

L. Gustavo de O. L. Cancado, Raman spectroscopy of nanographites (Setembro de, 2006).

Light Scattering in Solids III. Recent Results, Edited by M. Cardona and G.Guntherodt (Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1982).

P.H. Tan, Y.M. Deng, and Q. Zhao, and W.C. Cheng, Appl. Phys. Lett. 74(13), 1818 (1999).

P. Giura, N. Bonini, G. Creff, J.B. Brubach, P. Roy, and M. Lazzeri, Phys. Rev. B 86(12), 121404(R), (2012) (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.121404).

Y.A. Kim, H. Muramatsu, T. Hayashi, M. Endo, M. Terrones, M.S. Dresselhaus, Chem. Phys. Lett. 398: 87 (2004) (https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.09.024).

K. Witke, D. Klaffke, A. Skopp and J. P. Schreckenbach, J.of Raman Spectroscopy 29, P. 411 (1998).

Y. Kawashima, G. Katagiri, Phys. Rev. B, 52(14), 10053 (1995).

Y. Kawashima, G. Katagiri, Phys.Rev. B 59(1), 62 (1999).

L. Bokobza, J. Zhang, eXPRESS Polymer Letters 6(7), 60 (2012) (https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2012.63).

N.Е. Kornienko, А.P. Naumenko, L.М. Kulikov, Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii, 18(1), 15 (2020).

M. Ikram, R. Tabassum, U. Qumar, S. Ali, A.Ul-Hamid, A. Haider, A. Raza, M. Imranf and S. Ali, RSC Adv., 10(35), 20559 (2020) (https://doi.org/10.1039/d0ra02458a).

Hsiang-Lin Liu, Huaihong Guo, Teng Yang, Zhidong Zhang,Yasuaki Kumamoto, Chih-Chiang Shen, Yu-Te Hsu, Lain-Jong Li, Riichiro Saitob and Satoshi Kawatadg, Phys.Chem.Chem.Phys. 17, 14561 (2015) (https://doi.org/10.1039/c5cp01347j).

D.N. Khaemba, A. Neville and А. Morina, Tribology Letters, 59(3), 1 (2015) (https://doi.org/10.1007/s11249-015-0566-6).

A. Jagminas, G. Niaura, R. Žalnėravičius, R. Trusovas, G. Račiukaitis, V. Jasulaitiene, Sci Rep 6(1), 37514 (2016) (https://doi.org/10.1038/srep37514).

T. Wang, J. Li, G. Zhao, Powder Technol. 253(2), 347 (2014).

M.A. Camacho-López, L. Escobar-Alarcón, M. Picquart, R. Arroyo, G. Córdoba, E. Haro-Poniatowski, Optical Mater. 33(3), 480 (2011) (https://doi.org/10.1016/j.optmat.2010.10.028).

Latha Kumari, Yuan-Ron Ma, Chai-Chang Tsai, Yi-Way Lin, Sheng Yun Wu1, Kai-Wen Cheng and Yung Liou, Nanotechnology 18(11) ,115717 (2007) (https://doi.org/10.1088/0957-4484/18/11/115717).

Hongfei Liu, K. K. Ansah Antwi, Chengguo Li, Jifeng Ying, Soojin Chua, and Dongzhi Chi, Nanotechnology 25(40), 405702 (2014) (https://doi.org/10.1088/0957-4484/25/40/405702).

Y. Lin, W. Zhang, J. Huang, K. Liu, Y. Lee, C. Liang, C. Chu, L. Li, Nanoscale 4(2), 6637 (2012) (https://doi.org/10.1039/c2nr31833d).

Bing Han, Yun Hang Hu, Energy Science & Engineering, 4(5), 285 (2016).

W. Su, P. Wang, Z. Cai, J. Yang, X. Wang, Results in Physics, 12(3), 250 (2019) (https://doi.org/10.1016/j.rinp.2018.11.066).

M. Ikram, M.I. Khan, A. Raza, M. Imran, A. Ul-Hamid, S. Ali, Physica E: Low-demensional Systems and Nanostructures, 124(8), 114246 (2020) (https://doi.org/10.1016/j.physe.2020.114246).

A. Chithambararaj, N.S. Sanjini, S. Velmathib and A. Chandra Bose, Phys. Chem. Chem. Phys., 15(35), 14761 (2013) (https://doi.org/10.1039/C3CP51796A).

Chao Hu , Minjie Xu, Jun Zhang, Yunong Zhou, Bonian Hu, Gang Yu, Chemical Kinetics 5(1), 3 (2019)

Z. Chen, D. Cummins, B.N. Reinecke, E. Clark, M.K. Sunkara, T.F. Jaramillo, Nano Lett, 11(10), 4168 (2011) (https://doi.org/10.1021/nl2020476).

N. Zamora-Romero, M.A. Camacho-Lopez, A.R. Vilchis-Nestor, V.H. Castrejon-Sanchez, G. Aguilar, S. Camacho-Lopez, M. Camacho-Lopez, Materials Chemistry and Physics, 240 122163 (2020).

N. Kumar, B.P.A. George, H. Abrahamse, V. Parashar, J.C. Ngila, Appl. Surf. Sci., 396(2), 8 (2017) (https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.11.027).

S. Stehlik, M. Varga, M. Ledinsky, D. Miliaieva, Sci Rep 6(12), 38419 (2016). (https://doi.org/10.1038/srep38419).

N.E. Kornienko, Physics of the Alive 16(1), 5 (2008).

N.E. Kornienko, Physics of the Alive 17(2), 5 (2009).

M.K. Kuntumalla, V.V.S. Siva Srikanth, S. Ravulapalli, U. Gangadharini, H. Ojha, N.R. Desai and C. Bansal, Phys. Chem. Chem. Phys. 17(33), 21331 (2015) (https://doi.org/10.1039/C4CP05236F).

M. Levy, A. Albu-Yaron, R. Tenne, D. Feuermann, E.A. Katz, D. Babai, and J.M. Gordon, Israel J. Chem. 50(4), 417 (2010) (https://doi.org/10.1002/ijch.201000056).

M. Chhowalla, G.A.J. Amaratunga, Nature 407(6801), 164 (2000) (https://doi.org/10.1038/35025020).

P.H. Tan, L. An, L.Q. Liu, Z.X. Guo, R. Czerw, D.L. Carroll, P.M. Ajayan, N. Zhang, and H.L. Guo, Phys. Rev. B. 66(24), 245410 (2002) (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.245410).

V.V. Strelchuk, A.S. Nikolenko, V.O. Gubanov, M.M. Biliy, and L.A. Bulavin, Journal of Nanoscience and Nanotechnology 12(11), 8671 (2012) (https://doi.org/10.1166/jnn.2012.6815).

F.C.B. Maia, R.E. Samad, J. Bettini, R.O. Freitas, N.D.V. Junior, N.M. Souza-Neto, Scientific Reports 5(1), 11812 (2015) (https://doi.org /10.1038/srep11812).

J.A. Alonso, Structure and Properties of Atomic Nanoclusters (Universidad de Valladolid, Spain, 2nd Edition, by Imperial College Press, 2012).

N.E. Korniyenko, N.Р. Smolyar, Abstracs of XVI-th Int. School-Seminar “Spectroscopy of Molec. and Crystals (Sevastopol, 2003), p.153.

N.E. Kornienko, In: Actial problems of solid state physics (Reports of International scientific conference FTT, Minsk, 2007).

T.N. Zavarnitskaya, N.N. Mel’nik, V.A. Karavanskii, JETP Letters 79(6), 340 (2004) (https://doi.org/10.1134/1.1759410).

M.E. Kornienko, N.L. Sheiko, O.M. Kornienko, T.Yu. Nikolaenko, Ukr. J. Phys., 58(2), 151 (2013) (https://doi.org/10.15407/ujpe58.02).

N.E. Kornienko, A.N. Kirichenko, Izvestiya vuzov 59(9), 50 (2016).

.N.E. Kornienko,V.I. Grygoruk, A.N. Kornienko, Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences 15(3), 953 (2010).

P. Rai, D.R. Mohapatra, K.S. Hazra, D.S. Misra, Jay Ghatak, P.V. Satyam, Chem. Phys. Lett. 455(1-3), 83 (2008) (https://doi.org /10.1016/j.cplett.2008.02.057).