Eterostrutture di Disolfuro di Molibdeno: preparazione e trasporto elettronico

Il Disolfuro di Molibdeno (2H-MoS2) è il materiale semiconduttore più investigato della famiglia dei Dicalcogenuri dei Metalli di Transizione (TMDs). Esso è caratterizzato da forti legami nel piano fra gli atomi di Mo e S e deboli interazioni van der Waals (vdW) fra gli strati separati di cui il MoS2 è costituito. Una delle sue caratteristiche peculiari è la variabilità della band gap in funzione dello spessore, con una band gap indiretta di 1.2 eV per pochi strati e bulk di MoS2 e una band gap diretta di 1.8-1.9 eV per un monostrato. La combinazione di una band gap significativa con una buona mobilità (400 cm2V-1s-1 nel caso ideale) rende il MoS2 un potenziale candidato per rimpiazzare il Si nella prossima generazione di film ultrasottili di transistori. Inoltre, il MoS2 è anche molto affascinante per applicazioni in optoelettronica, fotovoltaico, sensing e fotocatalisi. In questo contesto, l’integrazione del MoS2 e altri materiali 2D con semiconduttori bulk (incluso Si e i semiconduttori ad ampia band gap, come SiC and GaN e materiali correlati) è al momento esplorata molto intensivamente per sviluppare dispositivi avanzati basati sul trasporto di corrente fra queste eterogiunzioni vdW 2D/3D. Motivati da queste ampie ricerche e interesse applicativo, differenti metodi di sintesi top-down e bottom-up per il MoS2 sono stati esplorati in letteratura durante l’ultimo decennio. Fra i metodi top-down, l’esfoliazione micromeccanica da cristalli bulk permette di ottenere MoS2 di migliore qualità elettronica. Tuttavia, le piccole dimensioni laterali (1-10 m) e il poco controllo dello spessore dei flakes di MoS2 ottenuti da questa tecnica, rendono questa approccio impraticabile per applicazioni pratiche. Recentemente, è stata dimostrata l’esfoliazione su larga area (da mm2 a cm2) di membrane monostrato di MoS2 su superfici di oro, sfruttando la forte interazione S-Au. Questo approccio top-down avanzato, definito “esfoliazione meccanica assistita da oro”, è correntemente oggetto di un numero crescente di studi di differenti gruppi di ricerca, con lo scopo di valutare la qualità del MoS2 ottenuto. Inoltre, metodi ottimizzati per trasferire larghe membrane di MoS2 da oro a substrati isolanti/semiconduttivi rappresentano un requisito per future applicazioni. Fra i metodi di sintesi bottom-up, la deposizione chimica da fase vapore (CVD) è l’approccio più largamente investigato per depositare MoS2 su larga area. Questo processo è tipicamente realizzato in un forno a tubo costituito da due zone riscaldate, impiegando vapori emessi da polveri di S e MoO3 da due differenti crogioli, che sono trasportati verso il substrato da un gas inerte. Nel CVD a singolo stadio, il MoS2 cresciuto su una superficie è il risultato di una nucleazione causale, seguita dalla formazione di domini di MoS2. Dunque, questo approccio mostra problematiche relative allo spessore e al ricoprimento superficiale su larga area. Un CVD alternativo a due stadi, che potenzialmente permette un ricoprimento con una uniformità superiore, si ottiene dalla sulfurizzazione di un film sottile predepositato di Mo o ossido di Mo (MoOx), esponendo il substrato riscaldato ad un flusso di vapori di zolfo. In questo caso, il ricoprimento e l’uniformità dello spessore del MoS2 ottenuto dipendono dagli spessori iniziali del Mo o del MoOx. Questa tesi sarà focalizzata sulla preparazione su larga area di film di MoS2 ultrasottili prodotti dai rilevanti approcci top-down (esfoliazione meccanica assistita da oro e trasferimento) e bottom-up (CVD a due stadi). Un’indagine dettagliata delle proprietà strutturali/chimiche, morfologiche, vibrazionali, ottiche ed elettroniche degli strati di MoS2 sarà condotta dalla combinazione di differenti tecniche di caratterizzazione, come il Microscopio a Forza Atomica (AFM) e l’AFM in modalità conduttiva (C-AFM), il Microscopio a Trasmissione Elettronica (TEM), Raman, Fotoluminescenza e Spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS). Verranno discussi gli approcci sviluppati sperimentalmente per esfoliare membrane di 1L-MoS2 su larga area su film ultrapiatti di Au e il loro trasferimento su substrati isolanti di Al2O3/Si. Inoltre, saranno investigati gli effetti di strain, doping e fotoluminescenza dovuti all’interazione fra le membrane di MoS2 e l’oro e in seguito al trasferimento su Al2O3. Il 1L-MoS2 mostra uno strain tensile e un doping di tipo p quando è esfoliato su Au, che si convertiranno in uno strain compressivo e un doping di tipo n quando le membrane di 1L-MoS2 sono trasferite su Al2O3. Verranno trattati alcuni aspetti cruciali relativi all’integrazione di MoS2 per applicazioni in elettronica. Ad esempio, verranno discusse le principali sfide della deposizione di dielettrici ad alto κ (Al2O3) per Atomic Layer Deposition (ALD) su superfici prive di legami pendenti di MoS2. In questo contesto, sarà investigata la deposizione di film ultrasottili (3-4 nm) di Al2O3 per ALD su 1L-MoS2 esfoliato su oro e trasferito su un substrato isolante, mostrando il ruolo benefico dell’interazione Au-MoS2 sulla nucleazione e sulla crescita di film uniformi di Al2O3. Infine, verrà presentata l’integrazione di film ultrasottili di 1L-2L di MoS2 con semiconduttori ad ampia band gap (SiC, GaN su zaffiro e GaN bulk) per sulfurizzazione di film ultrasottili di MoOx. Il comportamento elettrico di queste eterogiunzioni vdW sarà correlato con le loro proprietà strutturali e morfologiche alla nanoscala. Saranno dimostrate nuove potenziali applicazioni del MoS2, come il diodo Esaki realizzato dall’integrazione MoS2/SiC per applicazioni di switching e circuiti nella piattaforma del carburo di silicio.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2022

Author dc:creator

• PANASCI, SALVATORE ETHAN

Contributors dc:contributor

• COMPAGNINI, Giuseppe Romano

• Molybdenum Disulfide, MoS2, Semiconductor, Transition Metal Dichalcogenides, Two-dimensional materials, Van der Waals Heterostructures, Wide bandgap semiconductors, Diodes, Transistors
• Disolfuro di Molibdeno, MoS2, Semiconduttore, Dicalcogenuri dei metalli di transizione, Materiali Bidimensionali, Eterostrutture van der Waals, Semiconduttori ad ampia bandgap, Diodi, Transistor

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/581586

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/581586