Creëren van diëlektrische lagen op tweedimensionale (2D) halfgeleiders: chemische en fysische mechanismen

Tweedimensionale (2D) materialen, met grafeen als de meest bekende vertegenwoordiger, vormen een interessante klasse van materialen wegens hun ultradunne lichaamseigenschappen. Anorganische 2D-materialen kunnen, afhankelijk van de samenstelling en structuur, isolerende, metallische, halfmetallische of halfgeleidende eigenschappen vertonen. De halfgeleidende 2D-materialen zoals WS2 en MoS2 trekken grote belangstelling voor toepassing in nano-elektronische apparaten, gezien hun monolaagdikte, grote bandkloofwaarden, lage diëlektrische constanten, structurele stabiliteit, en zelfpassiverende aard van het basale vlak. Een van de uitdagingen voor de toepassing in apparaten is het creëren van de nm-dunne isolatielagen op de 2D-halfgeleider. Atomaire laagdepositie (ALD) wordt veel gebruikt voor de afzetting van ultradunne poortdiëlektrische films, omdat het de groei op atomair niveau kan controleren op basis van zelfbegrenzende oppervlaktereacties. Echter, de inherente zelf-gepassiveerde aard van het 2D materiaaloppervlak bemoeilijkt de vorming van de nm0-dunne isolatielagen door ALD. Bovendien, omwille van hun dikte op atomaire schaal, hangt het ladingstransport in 2D halfgeleiders in grote mate af van de externe omgeving. De interfaces en hun stabiliteit tijdens de verwerkingsprocessen zullen de werking en de prestaties van het elektronisch apparaat bepalen. Het doel van dit doctoraatsproject is inzicht te verkrijgen in de mechanismen tijdens de afzetting van diëlektrica (bv. Al2O3, HfO2, ZrO2 ...) op 2D halfgeleideroppervlakken. Het initiële groeimechanisme tijdens ALD wordt beheerst door verschillende processen, waaronder adsorptie van precursoren, oppervlakte-reacties, diffusie en aggregatie. Het samenspel van deze processen kan complex worden, vooral voor depositie op 2D halfgeleiders, aangezien de initiële interacties tussen het 2D materiaaloppervlak en de precursoren zwak zijn omwille van de inherente zelf-passiverende aard van het 2D materiaaloppervlak. De chemische en fysische processen zullen in-situ bestudeerd worden met karakteriseringstechnieken zoals x-straal foto-elektron spectroscopie en Atomic Force Microscopy. Bijkomende informatie over de groei-evolutie komt van ex-situ karakteriseringstechnieken zoals Rutherford Backscattering spectrometrie en Raman spectroscopie. Ook wijzigingen aan het ALD-proces en functionaliseringsbenaderingen zullen onderzocht worden om nieuwe depositietechnieken te ontwikkelen om nm-dunne diëlektrische lagen te creëren op 2D halfgeleiders. Tenslotte zullen de eigenschappen van de gecreëerde diëlektrische lagen, de resulterende interface met de 2D halfgeleider, en de prestaties in elektrische apparaten getest worden.