Electronic and optoelectronic devices based on 2d materials

Abstract

Bu tez çalışmasında, iki boyutlu (2B) malzemeler üzerine, bir çok karakterizasyon metodu kullanılarak kapsamlı bir araştırma yapılmıştır. 2B yapılar, bizim tarafımızdan kurulmuş kimyasal buhar biriktirme (KBB) sistemi ile büyütülmüş, büyütme parametreleri ve konfigürasyonları optimize edilmiştir. Bu malzemelerin tek katmanlarının yanı sıra, farklı tek katmanlardan oluşan heteroyapılar da üretilmiş ve Raman ve Fotolüminesans (PL) spektroskopi yöntemleri ile incelenmişlerdir. Grafen üzerine yerleştirilmiş MoS2'nin PL şiddetinin, tek katman haline oranla, grafen ve MoS2 arasındaki yük geçişinden kaynaklı 10 kat sönümlendiği görülmüştür. Ayrıca, grafen yüzeyinde yüksek yoğunluktaki çekirdeklenme noktalarından kaynaklı olarak, grafen üzerine doğrudan MoS2 büyütme işlemi, nanometre boyutlarında tek katman yapraklar ve mikrometre boyutlarında kalın MoS2 yığınları ile sonuçlanmıştır. Bunlara ek olarak, KBB ile büyütülmüş MoS2 nin uzun dönem dayanıklılığı incelenmiştir. Yüksek yoğunluktaki çekirdeklenmeden dolayı yüksek büyüme hızı ile büyümüş MoS2 yapılarının normal ortam koşulları altında kararsız oldukları ortaya konmuştur. Bu nedenle, düşük büyüme hızı sağlayan özgün bir büyütme konfigürasyonu önerilmiş ve bu önerilen metodun yetkinliği, uzun dönem gözlemler, termal yaşlandırma deneyleri ve yoğunluk fonksiyonelleri teorisi hesaplamaları ile kanıtlanmıştır. Ayrıca, MoS2 ve WS2'nin FET aygıt performansları, özdeş koşullarda koşulları altında incelenmiş ve bu cihazlar, sırası ile ~104 ve ~105 gibi akım AÇ/KAPA oranları ve yine sırası ile 1.45 ve 0.98 cm2V-1s-1 gibi nispeten yüksek taşıyıcı mobiliteleri göstermişlerdir. WS2 tabanlı aygıtların, ortam koşullarına karşı daha hassas oldukları ortaya çıkarılmıştır. Bunlara ek olarak, performans artırma metodu olarak, MoS2 tabanlı fototransistorler, kolloidal kuantum kuyuları ile hassaslaştırılmış ve enerji transeri yoluyla yükseltilmiş soğurmadan kaynaklı ~11 katlık bir foto-duyarlılık artışı elde edilmiştir.

In this thesis, a comprehensive study on 2D materials has been carried out and investigated by various characterization tools. The 2D materials have been grown by in-house CVD system and the growth parameters and configuration have been optimized. Not only individual monolayers, but also their heterostructures, have been obtained and investigated by Raman and Photoluminescence spectroscopy. It has been found that, the PL intensity of MoS2 on top of the graphene is quenched with a factor of 10 due to charge transfer between MoS2 and graphene. In addition, direct growth of MoS2 on top of graphene resulted in nanometer sized flakes and bulky micrometer stacks of MoS2, mainly due to higher density of seeding spots on graphene. Furthermore, the long-term stability of the CVD-grown MoS2 has been investigated. It has been found that higher growth rate due to higher seeding density, results in relatively unstable MoS2 structures under ambient atmosphere conditions. A novel growth configuration with slower growth rate is proposed and the effectiveness of the proposed method has been verified by long-term observations, thermal aging experiments and DFT calculations. Device performance investigations of MoS2 and WS2 have been investigated under identical conditions. The FETs of MoS2 and WS2 show reasonably high current ON/OFF ratios and mobilities of ~104 and ~105 and 1.45 cm2V-1s-1 and 0.98 cm2V-1s-1, respectively. It is found that WS2 shows higher sensitivity to environmental conditions. Furthermore, as a performance enhancement method, the MoS2 phototransistor has been sensitized by colloidal quantum wells and ~11-fold photoresponsivity enhancement has been achieved by increase of absorbance via energy transfer.