2D materials and their hetero bilayer systems for optoelectronic applications

Abstract

Gelecekteki optoelektronik uygulamalarında meydana gelebilecek değişimlerle uyumlu malzeme sistemleri çalışmalar devam ederken, bu konuda iki boyutlu malzemelerin potansiyelini araştırmak için büyük çaba harcanmaktadır. Bu sebeple, bu tezde iki boyutlu geçiş metali dikalgonitleri ve bunların hetero yapılı çift katmanlı sistemlerinin optoelektronik uygulamalar için kapsamlı bir çalışması sunulmaktadır. Bu çalışma için tek katmanlı MoS2 ve MoSe2 materyalleri, dikalgonitler Kükürt ve Selenyum olarak değişirken geçiş metali Molibden aynı tutulmuştur. Böylece, yapısal ve optik karakterizasyonları sayesinde, etkileşimlerini inceleyebiliriz. Tek katmanlı MoS2 ve MoSe2 sırasıyla ~ 1.82 eV ve ~ 1.55 eV doğrusal bant aralıklarına sahiptir. Tek katmanlı MoS2, hem SiO2/Si alttaşlar üzerinde ALD yöntemi destekli CVD yöntemi hem de cam bir alttaş üzerinde geleneksel CVD yöntemi kullanılarak büyütülebilir. MoSe2 içinse, CVD sisteminde kullanılan NaCl çözeltisi ile kaplanmış SiO2/Si alttaşlar tercih edilebilir. Büyüme parametreleri optimize edilirken ürünün yüksek oranda alttaş yüzeyini kaplaması, yüksek kaliteli olması koşullarına dikkat edilmiştir. MoS2/MoSe2 iki tabakalı heteroyapı sistemi Polimetil Metakrilat (PMMA) destekli ıslak transfer yöntemi kullanılarak transfer edilir. Transfer edilen tek katmanlı geçiş metali dikalgonitleri ve bunların iki tabakalı heteroyapıları sistematik olarak Raman, Fotolüminesans ve Atomik Kuvvet Mikroskobu spektroskopileri kullanılarak karakterize edilir. Ayrıca iki katmanlı bu heteroyapı sıcaklığın 83-483 Kelvin sıcaklık değerleri arasında değiştilerek, sıcaklığa bağlı mikro Raman spektroskopisi ile karakterize edilir. Burada malzemelerin her birindeki sıcaklığa göre Raman modunun pik pozisyonundaki değişim ve maksimum yarısı tam genişlik (MYTG) analiz edilmiştir. Sıcaklık artışı bizim MoS2 ve MoSe2 Raman modlarının karakteristik yumuşamasını gözlemlememizi sağladı. Malzemelerin sıcaklık katsayısı, iki katmanlı heteroyapılarda izole bölgeye göre daha büyüktür.Anahtar Sözcükler: 2B malzemeler, MoS2, MoSe2, ALD, CVD, Optoelektronic

In the pursuit of the materials systems compatible with the paradigm shift in the future optoelectronics, immense effort is devoted to exploring the potential of 2D materials. Motivated by this, a comprehensive study of 2D TMD and their hetero bilayer systems for optoelectronic applications is presented in this thesis. Monolayer MoS2 and MoSe2 have been chosen by keeping the transition metal (Mo) the same while changing the dichalcogenides from S to Se, so we could investigate their interaction by structural and optical characterizations. Single layer MoS2 and MoSe2 have direct bandgaps of ~ 1.82 eV and ~ 1.55 eV, respectively. Monolayer MoS2 is grown both by using the ALD-assisted CVD method on SiO2/Si substrates and conventional CVD method on glass substrates. For MoSe2, SiO2/Si substrates coated with NaCl solution as are used in the conventional CVD system. The growth parameters are carefully optimized for high coverage of high-quality and large area monolayers. Subsequently, MoS2/MoSe2 hetero bilayer system is formed by PMMA-assisted wet transfer method. The Monolayer TMDs and their hetero bilayer system are systematically characterized by Raman, PL, and AFM spectroscopies. The hetero bilayer system is further characterized by temperature dependent µRaman spectroscopy by varying the temperature between 83 K and 483K. Change in the Raman mode's peak position and FWHM with respect to temperature in each of the materials has been analyzed. We observed characteristic softening of the MoS2 and MoSe2 Raman modes with an increase in temperature, and the temperature coefficient of the materials is larger in the hetero bilayer system than in the isolated region.Keywords: 2D materials, TMD, MoO3, MoS2, MoSe2, ALD, CVD, Optoelectronic