Synthese von mehrlagigen Übergangsmetalldichalcogeniden mittels Ionenimplantation

• Antragsteller: Dr. Axel Knop-Gericke
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397370329

Das allgemeine Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines industrietauglichen Syntheseverfahrens von Übergangsmetalldichalcogeniden (ÜMDC). Dabei soll das kontrollierte Wachstum von wenigen ÜMDC-Monolagen (z.B. 1-5) mittels Ionenimplantation und anschließendem Glühen (Annealing) bei geeigneten hohen Temperaturen erfolgen. Im Wesentlichen werden zwei Ansätze untersucht, nämlich i. Die Implantation des Chalkogenions in epitaktische Dünnfilme der Übergangsmetalle und ii. die Koimplantation sowohl des Chalkogens als auch der Metallionen in ein neutrales, vorzugsweise monokristallines Substrat (Saphir, MgO ...) jeweils gefolgt von einer Annealingsequenz im Bereich von 650-850 C. Für das Projekt wurden zwei repräsentative Halbleiter-ÜMDCs ausgewählt: MoS2 und WS2. Unsere Vorversuche mit 10 nm dicken, kleinkörnigen polykristallinen Mo-Filmen aufgebracht auf oxidierten Si-Substraten und Ionenimplantation von 2,5 x 10e15 Schwefelatomen pro cm2 haben gezeigt, daß die Bildung von MoS2 durch einstündiges Annealing in einer versiegelten Quarzampulle bei 750 C erfolgen kann. Obschon das Raman-Signal einer 1 cm2 großen Probenfläche einheitlich erscheint, erfolgt die kristalline Orientierung der MoS2 Schichten eher zufällig. Um ein epitaktisches Wachstum von ÜMDCs während des Annealings zu induzieren werden dementsprechend monokristalline Metallfilme und Substrate benötigt.Das Projekt besteht aus 5 Arbeitspaketen (AP). AP1, geführt von IKS (Institute forNuclear and Radiation Physics, Belgien), beschäftigt sich mit der Substratvorbereitung einschließlich der Übergangsmetall-Epitaxieabscheidung durch VSM (Laboratory of Solid State Physics and Magnetism, Belgien) und IKS sowie der Ionenimplantation (IKS). AP2, geleitet vom FHI (Fritz-Haber-Institut, Berlin), widmet sich der Untersuchung des postimplantativen Annealings durch In-situ-Beobachtungen mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) beim FHI sowie hochauflösender in situ Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) bei CNRS (CNRS-Ecole polytechnique, Frankreich). AP3, geleitet von CNRS, widmet sich den ex situ physikalischen Charakterisierungen der synthetisierten ÜMDC-Materialien unter Verwendung von Raman-Spektroskopie und Photolumineszenz bei TRT (Thales Researchand Technology, Frankreich), XPS beim FHI (mit unterschiedlichen Photonenenergien zur Messung von Tiefenprofilen), HR-TEM bei CNRS, Rastertunnelmikroskopie und Spektroskopie (STM und STS) bei VSM. Darüber hinaus wird die winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES) an die ANTARES-Gruppe des SOLEIL-Synchrotron in Frankreich vergeben. In AP4, geführt von TRT, erfolgen elektronische (Trägermobilität) und optoelektronische Charakterisierungen von Feldeffekttransistorstrukturen (hergestellt von TRT) durch TRT und CNRS. AP5 unter der Leitung von CNRS widmet sich dem Projektmanagement, der Nutzung der Ergebnisse und der Partnerschaft mit dem Graphen-Flaggschiff (CNRS-TRT).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Frankreich
• Mitverantwortlich: Dr. Raoul Blume
• Kooperationspartner: Dr. Lino da Costa Pereira; Professor Chris van Haesendonck; Dr. Pierre Legagneux; Dr. Didier Pribat