ABSTRAKT

Under praktikopholdet blev jeg bekendt med speciel videnskabelig litteratur om lavdimensionelle materialer som molybdæn-disulfid. Jeg mestrer teknikken at arbejde med et moderne Raman-spektrometer og lærte at måle og behandle Raman- og fotoluminescensspektrer af prøver af enkelt- og få-lagede molybdæn-disulfid (MoS2), som tilhører en ny og opkommende klasse af materialer: 2-dimensionelle halvledere. Interessen for 2-dimensionelle materialer er drevet af jagten på alternativer til grafen, som er svær at anvende i elektroniske enheder på grund af fraværet af et båndgab. MoS2 har en unik kombination af fysiske egenskaber, herunder fleksibilitet, høj elektronmobilitet og optisk gennemsigtighed, sammen med et stort båndgab, der kan justeres fra indirekte 1,2 eV for bulk til direkte 1,9 eV for et monolag, hvilket gør MoS2 attraktivt for en række elektroniske og optoelektroniske enheder. I denne undersøgelse blev der opnået og behandlet et stort antal MoS2 Raman spektrer med høj spektral opløsning, hvilket gjorde det muligt at identificere monolagede og få-lagede prøver af denne halvleder og dermed bestemme nogle af dens karakteristiske træk.

INTRODUKTION

Interessen for 2-dimensionelle (2D) halvledere er i høj grad drevet af den meget succesfulde miniaturisering af Si-baserede elektroniske enheder for højere pakkedensitet, hurtigere kredsløbshastigheder og lavere strømforbrug. Denne langvarige miniaturisering af eksisterende materialsystemer nærmer sig dog den fysiske grænse for deres funktion. Den nye opmærksomhed omkring grafen og dens unikke egenskaber har vækket betydelig interesse for 2D halvledere og deres potentielle anvendelse i elektronik og mekaniske systemer. Desværre synes grafen at være næsten uegnet til enhedsapplikationer på grund af fraværet af et båndgab og dermed evnen til ikke at kunne slå felt-effekt transistorer (FET'er) fra, som er baseret på dette materiale. Derfor dukker andre 2D materialer, især monolagede varianter, op som en ny klasse materialer med et bredt spektrum af elektriske egenskaber og potentielle praktiske anvendelser. Molybdæn-disulfid (MoS2) og beslægtede materialer som tungsten-disulfid samt Mo og W-diselenider er vigtige medlemmer af de lagdelte overgangsmetal-dichalcogenider (TMD'er) og har tiltrukket sig en del opmærksomhed for nylig på grund af deres nyttige elektroniske og mekaniske egenskaber. Disse materialer har båndgab i det synlige eller nær-infrarøde område af det elektromagnetiske spektrum og menes at have potentielle anvendelser som byggesten i f.eks. solceller. Desuden giver den lagdelte krystalstruktur af disse materialer mulighed for at justere deres elektroniske egenskaber ved enten doping mellem svagt bundne lag eller ved at fremstille tynde nanostrukturerede materialer. Metal- og kalkogenatomerne har oxidationstilstande på henholdsvis +4 og -2. Krystalstrukturen af bulk MoS2 er dannet af vertikalt stablede 2D-lag med stærk kovalent binding mellem atomerne i et givet lag og meget svag van der Waals-binding mellem de tilstødende lag. Inden for et enkelt X-M-X lag danner M og X atomerne et 2D hexagonalt sublattice. Afhængig af staplingssekvensen langs den hexagonale c-akse er en række strukturelle polytyper mulige.

MATERIALER OG METODER

Raman Spektroskopi

Lysinteraktionen med materialer kan være meget forskellig og kan blive transmitteret, reflekteret eller spredt; bølgelængden af lyset påvirker interaktionen med materialer på forskellige måder afhængig af farven. Denne undersøgelse af lys kaldes spektroskopi. På baggrund af dette observerede den indiske fysiker C.V. Raman og uafhængigt de sovjetiske videnskabsmænd L.I. Mandelstam og G.S. Landsberg fænomenet, hvor lyset bliver spredt af molekyler, og derfor blev dette fænomen kaldt Raman-spredning. Teknikken til analyse/karakterisering, der beskæftiger sig med Raman-spredning, er Raman-spektroskopi.

Molybdæn Disulfid (MoS2)

Molybdæn-disulfid tilhører en klasse af materialer kaldet 'transition metal dichalcogenides' (TMDC'er). Materialer i denne klasse har den kemiske formel MX2, hvor M er et overgangsmetalatom (grupper 4-12 i det periodiske system) og X er et kalkogenatom (gruppe 16). Den kemiske formel for molybdæn-disulfid er MoS2. Krystalstrukturen af molybdæn-disulfid (MoS2) tager form som et hexagonalt plan af S-atomer på begge sider af et hexagonalt plan af Mo-atomer. Disse triple lag stables oven på hinanden, med stærke kovalente bindinger mellem Mo- og S-atomerne, men svage van der Waals-kræfter holder lagene sammen. Dette gør det muligt at mekanisk separere dem og danne 2-dimensionelle MoS2-ark. I forlængelse af den store forskningsinteresse for grafen, blev MoS2 det næste 2-dimensionelle materiale, der blev undersøgt for potentielle enhedsapplikationer. På grund af dets direkte båndgab har det en stor fordel over grafen for flere applikationer, herunder optiske sensorer og felt-effekt transistorer.

Den Praktiske Del

Jeg blev introduceret til softwaren i starten af mit bachelorstudium (overfladefysik) af nogle af mine kolleger. De sagde alle, at jeg skulle begynde at bruge det, da det var fremragende. De havde ret! Softwaren er ekstremt nem at bruge fra starten, og præsentationen af data er virkelig fantastisk, hvilket får Excel-diagrammer til at se forældede ud. Data kan straks præsenteres i mange typer af diagrammer og overlæg. I min praksis blev alle resultater behandlet i "Origin Pro"-programmet.

KONKLUSION

I mit seks ugers praktikophold lærte jeg meget om Raman-spektroskopi og om 2D-materialer generelt. Min laboratoriumsundersøgelse bestod af studier af 2D-materialer på MoS2-prøver på et siliciumsubstrat. I praksis har jeg lært meget om, hvordan Raman-spektrometeret er meget følsomt over for lavfrekvente bølger, hvilket hjælper med at bestemme antallet af lag i 2D-materialer.

LITTERATUR

  • V.A. Aseev, A.N. Babkina, L.Yu. Mironov, R.K. Nuryyev. Spektroskopiske metoder til undersøgelse af fotonikmaterialer.

  • Shobha Shukla, Sumit Saxena, og Eric Mazur. Undersøgelse af optiske egenskaber af lagdelte MoS2.

Undersøgelse
Skriv din mening om dette emne. Interessante kommentarer bliver offentliggjort på siden.