Pulsed thermal deposition of transition metal dichalcogenides
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDCs) finden als Materialplattform zur Untersuchung grundlegender physikalischer Eigenschaften von zweidimensionalen (2D) Van-der-Waals-Materialien weiterhin große Beachtung. Darüber hinaus finden sie Anwendung in extrem dünnen optoelektronischen Bauelementen, entweder im Monolayer-Limit (ML) oder in Mehrschichtstrukturen mit genau kontrolliertem Schichtdesign. Neben den faszinierenden Eigenschaften der einzelnen Schichten ist das Interesse an 2D-Materialien auch dadurch motiviert, dass sie durch Schichttransfer frei kombiniert werden können, um neue künstliche Materialien zu schaffen. Um diese spannenden Felder in Richtung praktischer Anwendungen zu erschließen, sind jedoch unbedingt einkristalline Filme im Wafermaßstab erforderlich, deren Materialzusammensetzung, Schichtdicke und kristalline Perfektion mit den derzeit verfügbaren Massenkristallen vergleichbar sind oder diese sogar übertreffen. Die Synthese von Schichten, die diese Anforderungen erfüllen, stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar, und ihre Nutzung in industriellen Anwendungen ist nach wie vor ungelöst. In diesem Projekt wurde eine systematische Studie über das Wachstum von Übergangsmetalldisulfiden durch Molekularstrahlepitaxie unter Verwendung einer gepulsten thermischen Abscheidungstechnik durchgeführt. Das Wachstum wurde in einem breiten Spektrum von Wachstumsbedingungen auf verschiedenen einkristallinen Wafern durchgeführt. Auf Saphir und Y- stabilisiertem ZrO2 wurde ein Schicht-für-Schicht-Wachstumsmodus etabliert, der für die Herstellung kontinuierlicher TMDC-Monolagen erforderlich ist. Die gewachsenen Schichten bestehen aus epitaktischen Kristalliten von mehreren zehn Nanometern Größe, die aufgrund der unterschiedlichen Kristallsymmetrie und der großen Gitterfehlanpassung mit dem Wafer in der Ebene rotieren. Die feine kristalline Struktur der Schichten, die als Ergebnis einer starken Wechselwirkung mit dem 3D-Substrat auftritt, wirkt sich negativ auf die optischen und elektrischen Eigenschaften der Schichten aus. Das anschließende Tempern der Proben in einer Schwefelumgebung führt zu einer Rekristallisierung der Schichten, die die Größe der Domänen erheblich vergrößert, was mit dem Verschwinden der defektbezogenen Peaks in den Raman-Spektren, der Schärfung der exzitonischen Signaturen in der Absorption und einer starken Verbesserung der Photolumineszenzausbeute bei Halbleitermaterialien einhergeht. Während die strukturelle Qualität der Materialien noch verbessert werden muss, ermöglicht das entwickelte Verfahren bereits die Herstellung von vertikalen Metall-Halbleiter-Heterostrukturen, die nach den optischen und Röntgenbeugungsmessungen eine glatte Oberflächenmorphologie und keine Vermischung aufweisen. Die Ergebnisse stellen einen vielversprechenden Ausgangspunkt für die Herstellung epitaktischer Übergangsmetalldichalcogenid-Mono- und Multischichten auf Nicht-van-der-Waals-Substraten im Wafermaßstab dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Recrystallization of MBE‐Grown MoS2 Monolayers Induced by Annealing in a Chemical Vapor Deposition Furnace. physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters, 17(5).
Wang, Rongbin; Koch, Norbert; Martin, Jens & Sadofev, Sergey
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Strong coupling of monolayer Strong coupling of monolayer WS2 excitons and surface plasmon polaritons in a planar Ag/WS2 hybrid structure. Physical Review B, 108(16).
Zorn, Morales Nicolas; Rühl, Daniel Steffen; Sadofev, Sergey; Ligorio, Giovanni; List-Kratochvil, Emil; Kewes, Günter & Blumstengel, Sylke
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Y‐Stabilized ZrO2 as a Promising Wafer Material for the Epitaxial Growth of Transition Metal Dichalcogenides. physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters, 18(1).
Wang, Rongbin; Schmidbauer, Martin; Koch, Norbert; Martin, Jens & Sadofev, Sergey
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“Recrystallization of epitaxial MBE- grown MoS2 monolayers induced by annealing in a CVD furnace”, 2D Transition Metal Dichalcogenides, Cambridge, United Kingdom, June 26-29, 2023
S. Sadofev; Rongbin Wang; N. Koch; M. Schmidbauer & J. Martin
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“Recrystallization of epitaxial MBE-grown MoS2 monolayers induced by annealing in a CVD furnace”, chem2Dmat European conference on chemistry of two-dimensional materials Bologna, Italy, May 15-18, 2023
S. Sadofev; Rongbin Wang; N. Koch & J. Martin
