Two-dimensional transition metal dichalcogenide (TMDC) alloys and devices

Abstract

İki-boyutlu geçiş metalleri dikalkojenitler (2-B GMK) alaşımları elektronik özellikleri, mobilite, ışık hassasiyeti, kitle formda olmayan direkt bant aralığı gibi üstün özellikleri nedeniyle büyük ilgi çekmiştir. Molibden sülfit (MoS2), molibden sülfoselenit (MoS2(1-x)-Se2x), molibden selenit (MoSe2), ve alaşımları optoelektronik, yarıiletken elektroniği ışık detektörleri ışık pilleri ve enerji hasadı alanlarında üretilen yeni cihazlar için adaydır. Bu tez çalışmasında, tek katmanlı MoS2, MoS2(1-x)-Se2x), MoSe2 yapıların tekrarlanabilir olarak üretimi, gaz akış oranları, alttaş sıcaklığı kimyasal toz oranları (S/Se) gibi kimyasal buhar biriktirme (KBB) parametrelerinin sistematik şekilde araştırılması sunulmuştur. SiO2 (300 nm)/Si alttaşları üzerinde üretilen tek tabakalı yaprakların boyutunun 150 μm kadar büyük olduğu ölçülen ve bant aralığının 1.82 eV (MoS2) ile 1.56 eV (MoSe2) arasında değişmesine izin veren x (x= 0-1) kompozisyonunun tam olarak kontrolünü elde ettik. Reaksiyon sıcaklığı ve S/Se oranı te katmanlı GMK alaşımlarının bileşim değerinin (x=0-1) kontrolünde en önemli parametrelerdir. Selenyum bakımından zengin alaşımların daha yüksek bir büyüme sıcaklığında büyümesi, Se zengin buharında mevcut Se atomları ile büyütülmüş alaşım konak kafes bölgesi olarak S atomlarının ikame edilmesi kalkojen değişim mekanizmasına (KDM) atfedilir. KBB işleminde NaCl katılımı, alttaşın tüm yüzeyini kaplanmış ve tuzsuz bir işlemle mümkün olmayan geniş alanlı MoSe2 üretimini sağlar. Fotoluminesans (FL) ölçümü, Raman spektroskopi ölçümü, karanlık alan ölçümü, aydınlık alan ölçümü atomik güç mikroskobu (AGM) ölçümü, taramalı elektron mikroskobu (TEM) gibi bazı analiz ölçümlerini tatbik ettik. Alan etki transistörü (AET) cihazı 2B MoSe2 yaprağı üzerine fabrike edildi ve performans ölçümü gösterildi.

Two-dimensional transition metal dichalcogenide (2-D, TMDC) and their alloys have attracted significant attention due to their extraordinary optical and electronic properties such as high mobility, high photosensitivity, direct bandgap that does not exist in their bulk forms. Molybdenum sulphide (MoS2), molybdenum sulphoselenide (MoS2(1-x)-Se2x (x=0-1)), molybdenum selenide (MoSe2), and their alloys are candidates for new devices in optoelectronics, semiconductor electronics, photodetectors, photovoltaics and energy harvesting. In this thesis, we present repeatable MoS2, MoS2(1-x)-Se2x, MoSe2 monolayer formation with a systematical investigation of chemical vapor deposition (CVD) growth parameters including gas flow rates, substrate temperature and precursor concentration (S/Se ratio). We have achieved a complete control of x value (x=0-1) allowing for bandgap change in between 1.82 eV (MoS2) and 1.56 eV (MoSe2). In general, the sizes of the obtained monolayer flakes have been as large as 150 μm on SiO2 (300 nm)/Si substrates. The reaction temperature and S/Se ratio have been found to be the most critical parameters to control the composition (x= 0-1) of the monolayer alloy TMDCs. The growth of Se rich alloys at a higher growth temperature is explained with the chalcogen exchange mechanism (CEM) in relation with substitution of S atoms in as grown alloy host lattice site with Se atoms present in the Se rich vapor. Additionally, NaCl salt involvement in the CVD process is investigated to enable large area MoSe2 monolayer flake growth with full substrate coverage, which is proven successful. We performed different characterizations, which include photoluminescence (PL), Raman spectroscopy, and optical and dark field image, atomic force microscopy (AFM), and scanning electron microcopy (SEM) measurements. We also fabricated field effect transistor (FET) devices using our 2D MoSe2 flakes and performed device performance measurements.