Titel Promotor Affiliaties "Korte inhoud" "Atomaire resolutie elektronenmicroscopie van nanoporiën in 2D materialen voor blauwe energie." "Timothy Pennycook" "Elektronenmicroscopie voor materiaalonderzoek (EMAT)" "De zoutgradiënten die optreden waar zoet water in zout oceaanwater stroomt, vormen een zeer grote en bijna volledig ongebruikte bron van schone, zogenaamde blauwe energie, gebaseerd op osmose. Blauwe energie blijft nog ongebruikt omdat de methoden voor het bekomen van deze energie inefficiënt zijn, meestal vanwege de slechte prestaties van de gebruikte membraanprocessen. Een veelbelovende oplossing voor dit probleem is het gebruik van atomair dunne 2D-materialen met nanoporiën als membranen. Proof of principle experimenten met nanoporiën in 2D-materialen hebben osmotische vermogensdichtheden tot zes orden van grootte beter aangetoond dan conventionele membranen. Dit komt doordat de opbouw van lading rond de nanoporiën een filter creëert waarmee zoutionen met slechts één ladingsteken worden aangedreven door de chemische potentiaalgradiënt van een zout reservoir door de poriën naar een zoetwaterreservoir. Net als in een batterij, creëert de resulterende gescheiden ladingopbouw een elektrisch potentiaalverschil dat kan worden gebruikt voor elektrische stroom. Echter, om maximale energieopwekking uit blauwe energie mogelijk te maken, is een beter begrip van de nanoporiën nodig. Momenteel ontbreekt zelfs basiskennis zoals hun atoomstructuur. In dit project zullen we de atoomstructuur van nanoporiën die zijn gekarakteriseerd voor blauwe energieprestaties bepalen en methoden ontwikkelen om de ladingsdichtheid en elektrische velden op en rond de nanoporiën te onderzoeken met elektronenmicroscopie. In combinatie met de First Principles theorie zullen we de correlaties tussen prestaties van blauwe energie en de bevindingen van de microscopie-experimenten gebruiken om de fysica van osmotische energieproductie met nanoporiën in verschillende 2D-materialen te begrijpen. We zullen dus ontdekken wat nodig is om de beste nanoporie gebaseerde membranen te bekomen, waardoor de ontwikkeling van nanoporiën met optimale blauwe energieprestaties wordt vergemakkelijkt." "Dynamica en structurele analyse van 2D materialen (DYNASTY)" "Johan Verbeeck" "Theorie van de gecondenseerde materie, Foundation for Research and Technology Hellas, Institut National des Sciences Appliquées (INSA Toulouse), Elektronenmicroscopie voor materiaalonderzoek (EMAT)" "Het hoofddoel van DYNASTY is om een significante attractiepool voor nanomateriaal onderzoek op te bouwen in Zuid Europa, meer bepaald in het FORTH onderzoeksinstituut in Kreta. Dit zal bereikt worden door gezamelijke onderzoeksinitiatieven en samenwerking met twee gerenomeerde Europese onderzoeksteams die aan de top staan in het nanomateriaal onderzoek. De activiteiten zullen bijdragen aan het wetenschappelijke onderzoek met als doel het aantrekken en motiveren van jonge wetenschappers in nanomateriaal (bv. 2D materialen) wetenschap en technologie. De partners zijn enerzijds de Universiteit Antwerpen (UA) met sterke expertise in geavanceerd onderzoek in elektronenmicroscopie voor materiaalonderzoek en vaste stof fysica vanuit respectievelijk de EMAT en CMT onderzoeksgroepen die beiden deel uitmaken van het UA Nanolab Center of Excellence (Belgie). En anderzijds het National Institute of Applied Sciences (INSA- University of Toulouse) met sterke expertise in geavanceerde spectroscopische karakterisatie technieken voor 2D materialen. De activiteiten betreffen het geven van training door wederzijdse labo bezoeken, workshops, korte opleidingen, gemeenschappelijke conferenties en uitgekiende communicatie activiteiten om jonge onderzoekers aan te trekken in FORTH. De betrokken teams stellen hun expertise ter beschikking om een geavanceerd beeldvorming en spectroscopie expertise centrum op te bouwen (combinatie van niet-lineaire en tijdsgeresolveerde optische spectroscopie) die zal toelaten om nauwkeurige analyses uit te voer op 2D materialen en hun heterostructuren. Aan het einde van dit 3 jarig project zal FORTH de nodige vaardigheden hebben verworven in het domein van nanomateriaal karakterisatie en het ontwikkelen van nanoelektronische componenten. Hiermee zal DYNASTY een collaboratief platform vormen die de experimentele netwerken tussen nanomateriaal onderzoekscentra in Europa verder uitbouwt. Dit zal toelaten dat het lokale team in Griekenland zal kunnen bijdragen aan excellent interdisciplinaire onderzoek op een hoger niveau." "Atomaire resolutie elektronenmicroscopie van nanoporiën in 2D materialen voor blauwe energie." "Timothy Pennycook" "Elektronenmicroscopie voor materiaalonderzoek (EMAT)" "De zoutgradiënten die optreden waar zoet water in zout oceaanwater stroomt, vormen een zeer grote en bijna volledig ongebruikte bron van schone, zogenaamde blauwe energie, gebaseerd op osmose. Blauwe energie blijft nog ongebruikt omdat de methoden voor het bekomen van deze energie inefficiënt zijn, meestal vanwege de slechte prestaties van de gebruikte membraanprocessen. Een veelbelovende oplossing voor dit probleem is het gebruik van atomair dunne 2D-materialen met nanoporiën als membranen. Proof of principle experimenten met nanoporiën in 2D-materialen hebben osmotische vermogensdichtheden tot zes orden van grootte beter aangetoond dan conventionele membranen. Dit komt doordat de opbouw van lading rond de nanoporiën een filter creëert waarmee zoutionen met slechts één ladingsteken worden aangedreven door de chemische potentiaalgradiënt van een zout reservoir door de poriën naar een zoetwaterreservoir. Net als in een batterij, creëert de resulterende gescheiden ladingopbouw een elektrisch potentiaalverschil dat kan worden gebruikt voor elektrische stroom. Echter, om maximale energieopwekking uit blauwe energie mogelijk te maken, is een beter begrip van de nanoporiën nodig. Momenteel ontbreekt zelfs basiskennis zoals hun atoomstructuur. In dit project zullen we de atoomstructuur van nanoporiën die zijn gekarakteriseerd voor blauwe energieprestaties bepalen en methoden ontwikkelen om de ladingsdichtheid en elektrische velden op en rond de nanoporiën te onderzoeken met elektronenmicroscopie. In combinatie met de First Principles theorie zullen we de correlaties tussen prestaties van blauwe energie en de bevindingen van de microscopie-experimenten gebruiken om de fysica van osmotische energieproductie met nanoporiën in verschillende 2D-materialen te begrijpen. We zullen dus ontdekken wat nodig is om de beste nanoporie gebaseerde membranen te bekomen, waardoor de ontwikkeling van nanoporiën met optimale blauwe energieprestaties wordt vergemakkelijkt." "Heterostructuren van supergeleidende 2D materialen als bouwstenen voor opkomende kwantumtechnologieën" "Milorad Milosevic" "Theorie van de gecondenseerde materie" "Juncties van supergeleidende materialen liggen aan de basis van de nieuwste kwantumtechnologieën, in het bijzonder kwantumcomputers (nagestreefd door Google, IBM, Intel,...), met ongeziene mogelijkheden vergeleken met klassieke systemen. De benodigde kwantumcoherentie lijdt echter onder onzuiverheden en ruwheid bij de grensvlakken in de huidige juncties. Als oplossing worden kristallijne 2D materialen onderzocht als alternatieve bouwstenen voor supergeleidende juncties, omwille van hun hoge zuiverheid en atomair scherpe grensvlakken in hun heterostructuren. Een fundamenteel begrip van hoe supergeleiding beïnvloed wordt door het samenvoegen van verschillende 2D materialen ontbreekt echter. Daarom zal in dit project een nieuw ab initio kader worden ontwikkeld om supergeleiding in 2D heterostructuren volledig te karakteriseren, inclusief hybridisatie tussen de lagen en concurrerende kwantumtoestanden. Dit zal inzicht geven in belangrijke eigenschappen zoals de verdeling en kwantumtunneling van Cooper-paren in de junctie, die de kern vormen van qubit-toepassingen. Gemotiveerd door de recentste experimenten zullen zowel verticale als laterale juncties onderzocht worden, en geoptimaliseerd m.b.v. beschikbare vrijheidsgraden, zoals twist en stacking, een buffermateriaal in de junctie, en het tunen van de junctie d.m.v. gating en deformatie. Deze kennis is onmisbaar om de eigenschappen van qubits en kwantumoperaties gebaseerd op 2D supergeleiders op punt te stellen en te controleren." "Topologische en elektronencorrelatie fenomensen in 2D / gelaagde materialen." "Lino da Costa Pereira" Kwantum-vastestoffysica "Het bestuderen van fenomenen die voortkomen uit elektron correlaties en niet-triviale band topologie is één van de belangrijkste onderzoeksgebieden geworden in de moderne vastestoffysica. Dit resulteert in een verscheidenheid aan (nieuwe) materiaal types: ferromagneten, supergeleiders, topologische isolatoren, Mott isolatoren, Dirac / Weyl half metalen en abnormale kwantum Hall isolatoren (QAHI). Wanneer dergelijke materialen worden gecombineerd, ontstaan bovendien unieke fenomenen en functionaliteiten aan hun grensvlakken, waaronder Majorana-deeltjes. Deze deeltjes kunnen ons in de toekomst toelaten om zogenaamde topologische kwantum berekeningen uit te voeren. Hoewel er grote onderzoeksinspanningen zijn gedaan om dergelijke fenomenen in conventionele 3D-materialen te bestuderen, blijft het enorme potentieel van 2D-materialen grotendeels onontgonnen terrein. Aangezien deze fenomenen voortkomen uit oppervlakte-gemedieerde koppeling (bijv. het samenbrengen van de oppervlaktes van een QAHI en een supergeleider), zijn 2D-materialen en gerelateerde gelaagde systemen een ideaal platform. In dit project gaan we: (i) 2D-systemen ontwikkelen en bestuderen die fenomenen van elektron correlaties en niet-triviale band topologie vertonen; (ii) dergelijke materialen samenkoppelen in hybride structuren en hun elektronische eigenschappen bestuderen; (iii) de geobserveerde kwantumtoestanden van deze systemen manipuleren in elektronische nano-schakelingen. We zullen ons in het bijzonder concentreren op 2D-oxiden en chalcogeniden. Hiervoor gebruiken we de specifieke expertise aanwezig in ons consortium en de aanwezige “state-of-the-art” technieken (zowel theoretisch als experimenteel) betreffende de in-situ groei en karakterisering op de atomaire schaal en het maken van elektronische nano-schakelingen voor potentiële toepassingen." "Integratie van 2D materialen in een CMOS flow om massaproductie apparaten in te schakelen" "Liesbet Lagae" "Fysica van Zachte Materie en Biofysica" "De ontdekking en verkenning van grafeen en andere 2D-materialen heeft een enorme boost gecreëerd voor zowel fundamenteel als apparaat-gericht onderzoek, gaande van geavanceerde schaling tot fotonica en sensortoepassingen. Er werden geweldige apparaateigenschappen gedemonstreerd in hoogstaande tijdschriften, gaande van apparaten met ultrahoge mobiliteit, geïntegreerde fotonische modulatoren met hoge snelheid, elektrische apparaten met een enkele molecule en nanoporiën voor DNA-sequencing. Het praktische gebruik van deze materialen wordt echter gehinderd door de moeilijkheden die deze ondervinden bij massaproductie. De belangrijkste problemen betreffen de grootschalige groei van 2D-films van hoge kwaliteit en hun integratie in CMOS-compatibele fabricagestromen. Momenteel worden deze problemen grotendeels overwonnen dankzij ontwikkelingen op gebied van groei en laagoverdrachtstechnieken, die het inbedden van 2D-films in gecompliceerde, op halfgeleiders gebaseerde stapels, mogelijk te maken. Daarom is het tijd om de volgende stap te zetten en deze toepassing te demonstreren met stromen die daadwerkelijk kunnen worden overgedragen naar een productieschema. De karakterisering van de overgedragen filmkwaliteit en de gecorreleerde prestaties van het apparaat zullen belangrijke maatstaven zijn om de penetratie van deze technologie in verschillende markten te bepalen. In dit doctoraat richt je je op het integreren van 2D-films in toepassingsrelevante fabricagestromen, met de nadruk op elektrische biosensoren en/of fotonische apparaten. Het werk omvat uitgebreide materiaalkarakterisering, zorgvuldig apparaatontwerp en optimalisatie op basis van de beschikbare stapel en intensieve interacties met zowel het procesintegratieteam als de applicatie-ingenieurs." "Chiraliteit ""by design"" in magnetische 2D materialen" "Milorad Milosevic" "Theorie van de gecondenseerde materie" "Technologische vooruitgang in modern maatschappij zal sterk bepaald worden door nieuwe, all-in-one materialen, waar in zowel magnetische, elastische, als elektronische vrijheidsgraden op een gecontroleerde manier kunnen gekoppeld worden. 2D materialen zijn hier voor mogelijks erg geschikt: ze vertonen een uitgebreid palet aangeavanceerde eigenschappen, die getuned kunnen worden door uitrekking, buigen, gating en de realisatie van heterostructuren. Met de realisatie van magnetisme in 2D materialen is het potentieel om het multifunctioneel gedrag van deze materialen te tunen nog groter geworden. Magnetisme in 2D materialen is bijzonder, omdat elke verandering in symmetrie de interacties beinvloedt en aangrenzende magnetische momenten niet meer gealigneerd zijn door de chiraliteit die optreedt. Deze chirale interacties leiden tot observeerbare niet-triviale magnetische texturen, zoals skyrmionen, en tot een volledig verschillend gedrag van de dynamische excitaties (de magnonen), beide technologisch veel-belovende effecten. Het breken van de symmetrie die de chiraliteit veroorzaakt, leidt ook tot een lokaal elektrisch veld, wat maakt dat magnetisme en elektrische polarisatie in 2D materialen gekoppeld zijn. Dit project focust op het begrijpen van deze koppeling, en de responservan op standardmanipulaties van 2D materialen. Dit zal toelaten om de chirale magneto-electronica te tunen, om zo een inzetbare technologie te realizeren die gevoelig is aan verschilende stimuli." "Plasmafysica en Chemie Uitdagingen voor de Interconnect Technologie van 2D Materialen." "Stefan De Gendt" "Duurzame Chemie voor Metalen en Moleculen" "Transitie-metaal dichalcogeniden zoals MoS2 of WS2 zijn halfgeleidende materialen met een gelaagde structuur. Eén enkele laag bestaat uit een vlak van metaalatomen dat aan de boven- en onderkant wordt afgesloten door de zwavel, seleen of tellurium chalcogeenatomen. Deze lagen vertonen een sterke covalente binding in het vlak, terwijl de Van-der-Waals-bindingen tussen aangrenzende lagen zwak zijn. Die zwakke bindingen maken microsplitsing en extractie van een monolaag mogelijk. Transistors gebouwd op dergelijke monolagennanosheets zijn veelbelovend vanwege de hoge elektrostatische controle in vergelijking met een bulk halfgeleider. Dit is belangrijk voor een hoge schakelsnelheid en een laag stroomverbruik in de OFF-toestand. Toch vertonen prototypen van dergelijke nanoschijftransistoren defecten vanwege het fabricageproces. Gesloten films over een groot oppervlak kunnen niet verkregen worden door mechanische splitsing van millimetersgrote kristallen. Voor verwerking op wafer-niveau zijn synthetische groeimethoden nodig. Het is een uitdaging om met synthetische groeitechnieken enkele lagen te verkrijgen met grote laterale kristallen of zelfs zonder korrelgrenzen. Dit vereist vooraf geconditioneerde monokristallijne substraten, afzetting op hoge temperatuur en polymeerondersteunde overdracht naar andere beoogde substraten. Dergelijke overdracht leidt tot scheuren in de film en het resterend polymeer uit het bindmateriaal degradeert de veelbelovende eigenschappen van de lagen. Afgezien van de overdracht is het vormen van gestapelde 2D-laagpatronen noodzakelijk om elektrische geïntegreerde schakelingen te maken. De vormgeving van een 2D-materiaal, of een ander materiaal erboven, is een uitdaging. De integratie van de nanosheets in geminiaturiseerde schakelingen kan niet worden verwezenlijkt met conventionele  droge etstechnieken, met radiofrequent, vanwege de afwezigheid van etsstoplagen en de kwetsbaarheid van de dunne lagen. Om deze problemen in groei en integratie te elimineren, hebben we de depositiemethoden onderzocht op wafer-niveau en lage-schade integratieschema's. Daarom hebben we de groei van MoS2 bestudeerd met een hybride fysisch-chemische dampdepositie waarvoor metaallagen werden afgezet en vervolgens in H2S werden verzwaveld om 2D-lagen met een groot oppervlak te verkrijgen. De invloed van de verzwavelingstemperatuur, tijd, gedeeltelijke H2S-druk en H2-toevoeging op de stoichiometrie, kristalliniteit en ruwheid werden onderzocht. Verder werd een selectieve lage temperatuurafzetting-en-conversieproces geanalyseerd bij 450 °C voor WS2  groei met WF6, H2S en Si als precursors. Si werd gebruikt als een reductant voor WF6 om dunne W-films af te zetten en H2S converteerde deze film in situ. De impact van de hoeveelheid reductant, de oppervlaktetoestand ervan, het temperatuurvenster en de benodigde tijd voor de omzetting van Si in W en W in WS2 werden bestudeerd. Verdere kwaliteitsverbeteringsstrategieën op WS2 werden geïmplementeerd door extra afdeklagen te gebruiken in combinatie met gloeien. Afdeklagen zoals Ni en Co voor metaal-geïnduceerde kristallisatie werden vergeleken met diëlektrische afdeklagen. De impact van de metalen afdeklaag, en de dikte ervan, op de herkristallisatie werd geëvalueerd. De eigenschap van de diëlektrische afdeklaag om zwavelverlies onder hoge temperatuur te onderdrukken, werd onderzocht. De uitstookstappen, die werden uitgevoerd door snelle thermische gloeiing en nanoseconde lasergloeiing, werden besproken.Uiteindelijk werd de fabricage van een heterostack met een MoS2-basislaag en selectief gegroeide WS2 bestudeerd. Atoomlaagetsen werd geïdentificeerd als een aantrekkelijke techniek om de vaste precursor, Si, van het MoS2 laag-voor-laag te verwijderen. Het in situ verwijderen van natuurlijk groeiend SiO2 en de impact op MoS2 werd bepaald. Het gecreëerde Si op MoS2-patroon werd vervolgens omgezet in een WS2 op MoS2-patroon door het eerder ontwikkelde selectieve WF6/H2S-proces. Door zijn zelflimiterende karakter biedt deze procedure een aantrekkelijke, schaalbare manier om het vervaardigen van 2D-apparaten met CMOS-compatibele processen mogelijk te maken en draagt deze bij tot essentiële vooruitgang op het gebied van 2D-materiaaltechnologie." "Geavanceerde 4D STEM voor structurele correlaties in 2D materialen op atomische schaal." "Timothy Pennycook" "Elektronenmicroscopie voor materiaalonderzoek (EMAT)" "Defecten zoals substitutionele atomen, vacatures en korrelgrenzen kunnen eigenschappen van 2D materialen drastisch veranderen. De grensvlakken van deze 2D systemen kunnen lateraal verbonden worden of verticaal gestapeld worden. Hierdoor verschijnen er in beide systemen onverwachte interessante fenomenen. Om zulke fascinerende systemen te begrijpen, is er kennis nodig over de lokale, microscopische structuur en compositie van deze systemen. Elektronen ptychography en 4D STEM hebben in recente jaren een heropleving doorstaan omdat onderzoekers 4D STEM als een excellente methode zien om lokale microscopische informatie te bepalen, die voordien niet verkregen kon worden. Alhoewel, 4D STEM inclusief ptychography waren gelimiteerd door de snelheid waarmee pixel detectoren beelden konden opnemen. Dit is het knelpunt om 4D STEM experimenten te optimaliseren. In dit project, zullen we dit knelpunt overkomen met onze nieuwe 4D STEM detector, deze kan tot honderd keer sneller data opnemen vergeleken met de voorgaande 4D STEM detectoren. Gebruik makend van deze doorbraak in snelheid zullen we niet alleen superieure informatie hebben over de structuur, maar ook de atomische elektrische lading en velden zullen gemeten kunnen worden. Dit kan verder worden uitgebreid in de 3de dimensie door 4D STEM te combineren met tomografie en optisch segmenteren. Door deze nieuwe technieken zullen we meer inzage krijgen tot hoe deze 2D materiaal systemen werken." "Colloïdale 2D materialen voor “Excitonics” op kamertemperatuur" "Pieter Geiregat" "Vakgroep Chemie" "2D materialen zijn uitermate geschikt voor het genereren van 2D quasi-deeltjes, zogenaamde excitonen, met unieke eigenschappen zoals sterke interactie met electromagnetische straling. In dit onderzoeksproject gaan we op zoek naar de ideale geometrie en samenstelling van die 2D materialen voor het ontwikkelen van exciton-gebaseerde opto-elektronica op kamer temperatuur. Hiervoor gebruiken we zowel anorganische chemie – voor de synthese van de materialen – als optische spectroscopie – femtochemie- en microscopie."