< Terug naar vorige pagina

Project

Studie op atomaire schaal van paramagnetische defecten in 2-dimensionale halfgeleiderlagen: MoS2

Al decennia lang streeft de halfgeleiderindustrie naar de miniaturisatie van de transistor. Conventionele op Si gebaseerde apparaten bereiken echter hun schaallimieten, omdat ongewenste ‘fysische’ effecten opduiken wanneer deze transistoren extreem verkleind worden. Een mogelijke oplossing om deze problemen met betrekking tot elektrostatische controle en lithografie op te lossen, is het incorporeren van nieuwe 2D-materialen in toekomstige nano-elektronische apparaten. In dit opzicht kwamen transitiemetaal dichalcogenides (TMD's), en in het bijzonder MoS2, naar voren als veelbelovende kandidaten om nieuwe apparaten met een laag verbruik en uitgebreidere functionaliteiten te maken.

Twee belangrijke problemen moeten echter opgelost worden voordat MoS2 breed kan worden toegepast als een 2D kanaalmateriaal in toekomstige apparaten: er moet een betrouwbare synthesemethode en een robuuste dopingprocedure worden ontwikkeld. In dit opzicht blijkt ESR een zeer nuttige niet-destructieve techniek te zijn om de kwaliteit en doperingseigenschappen van 2D materialen te onderzoeken door intrinsieke en extrinsieke puntdefecten te karakteriseren. Een uitgebreid onderzoek naar defecten in synthetisch en geologisch MoS2 is daarom in dit werk uitgevoerd met behulp van ESR, een techniek die een uitzonderlijke gevoeligheid bereikt en uitstekende discriminerende en kwantitatieve capaciteiten bezit.

Dit werk presenteert een gedetailleerde multi-frequentie ESR-analyse van een nieuw ontdekte onzuiverheid in een CVD-gegroeid bulk 2H MoS2-kristal. Het eerder niet-gerapporteerde signaal van axiale symmetrie vertoont een anisotropie die typerend is voor acceptoren en wordt, na zorgvuldige overweging, geïdentificeerd als afkomstig van N acceptor dopanten, die S-atomen in bulk MoS2 vervangen met een dichtheid van ~ 2E17 cm-3, en dus overwegend verantwoordelijk zijn voor de p-type dopering. De thermische stabiliteit, ruimtelijke verdeling en activeringsenergie (~ 45 meV) van de N-acceptor wordt ook in detail bestudeerd. Uiteindelijk blijkt dat substantiële N-verontreiniging een inherent kenmerk is van de specifieke CVD-methode die wordt toegepast voor de groei van het bestudeerde MoS2-materiaal.

De thermische stabiliteit, activeringsenergie (~ 0.7 meV) en temperatuursafhankelijkheid van de spectrale ESR-kenmerken van de As acceptor (die substitueren voor S) in geologisch bulk 2H MoS2 worden ook bestudeerd in dit werk. In het algemeen wordt geconcludeerd dat As een veelbelovende kandidaat is voor stabiele covalent gebonden p-type dopering van MoS2. Bovendien geven deze bevindingen aan dat de As-acceptor naar voren komt als een ondieper en robuuster dopant dan de N-acceptor.

Vervolgens behandelt dit werk een ESR-onderzoek naar puntdefecten aanwezig in getransfereerd synthetisch enkellaags MoS2. Het ESR-onderzoek wordt gecombineerd met een diepgaande analyse door een assortiment van andere experimentele technieken, waaronder AFM, RBS, XPS en TEM, om uiteindelijk te concluderen dat het ESR-signaal kan toegewezen worden aan een defect van intrinsieke aard, waarschijnlijk een Mo vacature gerelateerd defect gelegen aan MoS2 korrelranden of -grenzen. De oxidatie van het 2D-materiaal aan korrelranden en -grenzen in combinatie met de toegepaste op water gebaseerde transferprocedure blijkt een cruciale rol te spelen bij het genereren van het defect, waardoor een zwakte in de procesmethode wordt blootgelegd.

Het laatste deel van dit proefschrift behandelt een vergelijkende multi-frequentie ESR-analyse van verschillende geologische MoS2-kristallen die verschillende soorten bulk en oppervlaktevervuilingsgerelateerde defecten aan het licht brengt. Verschillende doperingsregimes (n, p en gemengd) worden blootgelegd, waarbij As, N en Re worden getraceerd als effectieve dominante onzuiverheidsdopanten. Deze observaties benadrukken de noodzaak van rigoureuze oppervlaktereiniging en zelfs het verwijderen van oppervlaktelagen om een zuiver MoS2-moederkristal te verkrijgen dat geschikt is voor het exfoliëren van schilfers van hoge kwaliteit die zijn bedoeld voor fundamentele analyses of geavanceerde toepassingen.

Datum:1 jan 2016 →  23 jan 2020
Trefwoorden:2D semiconductors, traps, degradation, magnetic resonance, transition metal dichalcogenides, intrinsic point defects
Disciplines:Fysica van gecondenseerde materie en nanofysica
Project type:PhD project