Theoretical Study on Double Resonant Raman Scattering in Janus MoSSe Monolayer

doi:10.3969/j.issn.1672-6952.2022.03.006

Abstract

Abstract:

The double resonance Raman (DRR) peaks of Janus MoSSe monolayer are important fingerprints of material characteristics. However, the origin of DRR peaks is still poorly understood and needs urgent clarification. Based on density functional theory, high?order quantum perturbation theory and group theory analysis, the DRR spectra of Janus MoSSe monolayer were studied theoretically and systematically. It is found that the inverse lattice wave vector of the electro?optical resonance coupling process of Janus MoSSe monolayer depends on the laser energy, and any wave vector may appear in the first Brillouin zone. Based on group theory analysis, the symmetry conditions for the generation of DRR activity were deduced, and the fundamental reason for the occurrence of a large number of DRR peaks in the Janus structural system was elucidated. This study provides theoretical guidance for understanding the DRR processes occurring in two?dimensional Janus structural system, and provides a rational theoretical means for clarifying the origin of the DRR peaks.

Key words: Double resonant Raman scattering, Janus MoSSe monolayer, Electron?optical resonance coupling

摘要：

单层Janus MoSSe拉曼光谱中出现的双共振峰，是材料特征的重要指纹。但是，这些双共振峰尚存在起源理解不清、机制亟需澄清的问题。基于密度泛函理论、量子高阶微扰理论和群论分析，系统研究了单层Janus MoSSe的双共振拉曼光谱。研究发现，单层Janus MoSSe的电?光共振耦合过程的倒格子波矢依赖于激光能量，在第一布里渊区中任意波矢 q_vec都可能出现。基于群论分析，推导出产生双共振拉曼活性的对称性条件，并阐明了在Janus结构体系中出现大量双共振拉曼峰的根本原因。研究结果可为理解二维Janus结构体系中发生的双共振拉曼过程提供理论指导，并为澄清双共振拉曼峰的起源提供合理的理论手段。

关键词: 双共振拉曼散射, 单层Janus MoSSe, 电?光共振耦合

CLC Number:

O482.31

Hongzhi Sun, Wei Sun, Bo Zhao, Huaihong Guo. Theoretical Study on Double Resonant Raman Scattering in Janus MoSSe Monolayer[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2022, 42(3): 30-36.

孙鸿智, 孙薇, 赵波, 郭怀红. 单层Janus MoSSe双共振拉曼散射的理论研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 30-36.

Figures/Tables 13

References 22

1	Radisavljevic B， Radenovic A， Brivio J， et al. Single⁃layer MoS₂ transistors［J］， Nat. Nanotechnol， 2011， 6（3）：147⁃150.
2	Lu A Y， Zhu H， Xiao J， et al. Janus monolayers of transition metal dichalcogenides［J］. Nature Nanotechnology， 2017， 12（8）： 744⁃749.
3	Zhang J，Jia S，Kholmanov I，et al.Janus monolayer transition⁃metal dichalcogenides［J］.ACS Nano，2017，11（8）：8192⁃8198.
4	Lin Y C， Liu C， Yu Y， et al. Low energy implantation into transition⁃metal dichalcogenide monolayers to form Janus structures［J］. ACS Nano， 2020， 14（4）： 3896⁃3906.
5	Yang Y， Zhang Y， Ye H， et al. Structural and electronic properties of 2H phase Janus transition metal dichalcogenide bilayers［J］. Superlattices and Microstructures， 2019， 131： 8⁃14.
6	Tao W L， Lan J Q， Hu C E， et al. Thermoelectric properties of Janus MXY （M= Pd， Pt； X， Y= S， Se， Te） transition⁃metal dichalcogenide monolayers from first principles［J］. Journal of Applied Physics， 2020， 127（3）： 035101.
7	Wang J， Shu H， Zhao T， et al. Intriguing electronic and optical properties of two⁃dimensional Janus transition metal dichalcogenides［J］. Physical Chemistry Chemical Physics， 2018， 20（27）： 18571⁃18578.
8	Chaney G，Ibrahim A，Ersan F， et al.Comprehensive study of lithium adsorption and diffusion on janus Mo/WXY （X， Y=S，Se， Te） using first⁃principles and machine learning approaches［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2021， 13（30）： 36388⁃36406.
9	Zhang K， Guo Y， Larson D T， et al. Spectroscopic signatures of interlayer coupling in janus MoSSe/MoS₂ heterostructures［J］.ACS Nano， 2021， 15（9）： 14394⁃14403.
10	Petrić M M， Kremser M， Barbone M， et al. Raman spectrum of Janus transition metal dichalcogenide monolayers WSSe and MoSSe［J］. Physical Review B， 2021， 103（3）： 035414.
11	郭怀红，赵波. 拉曼光谱探究二维原子晶体结构和物性的研究进展［J］. 辽宁石油化工大学学报， 2018， 38（6）： 1⁃9.
12	Lin M L， Tan P H. Ultralow⁃frequency Raman spectroscopy of two⁃dimensional materials［M］.Singapore：Springer， 2019： 203⁃230.
13	Giannozzi P， Baroni S， Bonini N， et al. Quantum espresso： A modular and open⁃source software project for quantum simulations of materials［J］. Journal of Physics： Condensed Matter， 2009， 21（39）： 395502.
14	Hartwigsen C， Goedecker S， Hutter J. Relativistic separable dual⁃space gaussian pseudopotentials from H to Rn［J］. Physical Review B， 1998， 58（7）：3641⁃3662.
15	Liu H L， Guo H， Yang T， et al. Anomalous lattice vibrations of monolayer MoS₂ probed by ultraviolet Raman scattering［J］. Physical Chemistry Chemical Physics， 2015， 17（22）： 14561⁃14568.
16	Liu H L， Yang T， Tatsumi Y， et al. Deep⁃ultraviolet Raman scattering spectroscopy of monolayer WS₂［J］. Scientific reports， 2018， 8（1）： 1⁃10.
17	Guo H， Yang T， Yamamoto M， et al. Double resonance Raman modes in monolayer and few⁃layer MoTe₂［J］. Physical Review B， 2015， 91（20）： 205415.
18	Seixas L， Rodin A S， Carvalho A， et al. Multiferroic two⁃dimensional materials［J］. Physical Review Letters， 2016， 116（20）： 206803.
19	Dong B， Wang Z， Hung N T， et al. New two⁃dimensional phase of tin chalcogenides： Candidates for high⁃performance thermoelectric materials［J］. Physical Review Materials， 2019， 3（1）： 013405.
20	Saito R， Jorio A， Souza Filho A G， et al. Probing phonon dispersion relations of graphite by double resonance Raman scattering［J］. Physical Review Letters， 2001， 88（2）： 027401.
21	Birman J L. Space group selection rules： Diamond and zinc blende［J］. Physical Review， 1962， 127（4）： 1093.
22	Aroyo M I， Kirov A， Capillas C， et al. Bilbao crystallographic server. II. Representations of crystallographic point groups and space groups［J］. Acta Crystallographica Section A： Foundations of Crystallography， 2006， 62（2）： 115⁃128.

C₃_v	E	2C₃	3σ_v	红外活性基	拉曼活性基
A₁	1	1	1	z	（z²，x²+y²）
A₂	1	1	-1	R_z
E	2	-1	0	(x，y)(R_x，R_y )	(x²+y²，xy)(xz，yz)

C₃_v	E	2C₃	3σ_v	红外活性基	拉曼活性基
A₁	1	1	1	z	（z²，x²+y²）
A₂	1	1	-1	R_z
E	2	-1	0	(x，y)(R_x，R_y )	(x²+y²，xy)(xz，yz)

C₃	E	（C₃）¹	(C₃)²	红外活性基	拉曼活性基
A	1	1	1	（z，R_z ）	（z²，x²+y²）
E	1	ε	ε^*	（x+iy）；（R_x+iR_y ）	(x²-y²，xy)(xz，yz)
E^*	1	ε^*	ε	（x-iy）；（R_x-iR_y ）	(x²-y²，xy)(xz，yz)

C₃	E	（C₃）¹	(C₃)²	红外活性基	拉曼活性基
A	1	1	1	（z，R_z ）	（z²，x²+y²）
E	1	ε	ε^*	（x+iy）；（R_x+iR_y ）	(x²-y²，xy)(xz，yz)
E^*	1	ε^*	ε	（x-iy）；（R_x-iR_y ）	(x²-y²，xy)(xz，yz)

C_S	E	σ_h	红外活性基	拉曼活性基
A′	1	1	（x，y，R_z ）	（z²，x²，y²，xy）
A″	1	-1	（z，R_x，R_y ）	（yz，xz）