Fabrication and characterization of two-dimensional van der Waals heterostructures

No Thumbnail Available
Files
Ranimäki_Niklas_2024.pdf (7.07 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Date
2024-01-30
Department
Major/Subject
teknillinen fysiikka
Mcode
SCI3028
Degree programme
Teknistieteellinen kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
38
Series
Abstract
Two-dimensional (2D) materials are atomically thin materials. This causes the charge carries to be confined to two spatial dimensions, which in turn causes the material to exhibit special properties. 2D materials such as transition metal dichalcogenides (TMD) exhibit strongly bounded electron-hole pairs at room temperature. These quasiparticles known as excitons dominate the optical properties of the material. Mechanically placing differing 2D materials on top of one another creates 2D heterostructures, where the materials are held together by the van der Waals forces. The properties of heterostructures depend on the constituent layers as well as their stacking order. This and the straightforward fabrication method allow for the creation of materials with desired properties. 2D van der Waals heterostructures have potential as nanomachines of the future such as atomically thin TMD-based field-effect transistors and solar cells. The number of layers in 2D materials has an impact on their properties. Thus it is important to be able to determine the number of layers of a material. In this thesis, the possibility of determining the number of layers in a 2D material with characterization methods is investigated. Optical microscopy, atomic force microscopy, Raman and photoluminescence spectroscopy are used to probe how different materials, number of layers and substrates affect the geometric, vibrational and excitonic properties. In addition to this, the effectiveness of these methods for characterizing and probing the properties of heterostructures will be assessed. In this work, it was found that atomic force microscopy could be used to determine the number of layers from the measured thickness of the material. It was discovered that the number of layers influence the Raman and photoluminescence spectra of the material enabling the possibility of determining the number of layers in a material with these optical characterization methods. Specifically, the number of layers was observed to affect the number, intensity and location of peaks of the Raman spectra caused by vibrational modes. In the photoluminescence spectra, the effect of temperature on the location and intensity of peaks caused by excitonic complexes was observed. The Raman and photoluminescence spectra of heterostructures were noticed to consist of peaks from the spectra of its constituent layers for the most part. This would make the characterization of complex heterostructures via Raman and photoluminescence spectroscopy difficult. However, it was noticed that the Raman peaks caused by low frequency vibrational modes did not behave this way for two-layered heterostructures. By studying the constituent layers with multiple characterization methods, the heterostructure can be characterized effectively.

Kaksiulotteiset materiaalit (engl. two-dimensional materials, 2D-materiaalit) ovat muutaman atomin paksuisia materiaaleja. Paksuuden takia materiaaleissa elektronien liikkeet rajoittuvat vain kahteen tilaulottovuuteen. Tämän rajoituksen takia yhdessä kaksiulotteisten materiaalien perheessä siirtymämetallidikalkogeenissa (engl. transition metal dichalgocenides, TMD), ilmenee huoneen lämmössä vahvasti sitoutuneita elektroni-aukkopareja. Nämä eksitoneina (engl. exciton) tunnetut kvasihiukkaset määräävät TMD-materiaalien optiset ominaisuudet. Asettamalla eri 2D-materiaaleja mekaanisesti päällekkäin voidaan valmistaa kaksiulotteisia heterorakenteita (engl. heterostructures), joissa materiaalit pysyvät yhdessä van der Waals voimilla. Heterorakenteiden ominaisuudet riippuvat rakennekerroksista ja pinoamisjärjestyksestä. Tämän ja suoraviivaisen valmistusmenetelmän ansiosta voidaan valmistaa ominaisuuksiltaan monimuotoisia materiaaleja. 2D van der Waals heterorakenteilla on potentiaalia tulevaisuuden nanolaitteina kuten esimerkiksi atomien paksuisina kanavatransistoreina (engl. field-effect transistor) ja aurinkokennoina. 2D-materiaaleissa materiaalikerroksien määrät voivat vaikuttaa materiaalin ominaisuuksiin valtavasti, minkä takia mahdollisuus varmistaa kerroksien määrä on tärkeää. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan, voiko eri kerroksisia 2D-materiaaleja tai materiaaleja ylipäätään tunnistaa karakterisointimenetelmillä. Työssä tutkitaan kuinka eri materiaalit, kerrosmäärät ja substraatit vaikuttavat materiaalien geometrisiin, värähdyksellisiin ja eksitonisiin ominaisuuksiin hyödyntämällä optista mikroskopiaa, atomivoimamikroskopiaa, Raman-spektroskopiaa ja fotoluminesenssispektroskopiaa. Tämän lisäksi näiden menetelmien tehokkuutta arvioidaan heterorakenteiden karakterisoinnissa sekä niiden ominaisuuksien tutkimisessa. Työssä havaittiin, että atomivoimamikroskopialla voidaan varmistaa kerroksien määrä materiaalin mitatun paksuuden avulla. Raman-spektreissä ja fotoluminessenssispektreissä huomattiin, että kerroksien määrät vaikuttavat spektreihin. Erot spektreissä mahdollistavat kerrosmäärän arvioinnin näillä optisilla karakterisointimenetelmillä. Erityisesti Raman-spektreissä huomattiin värähtelytilojen aiheuttamien piikkien intensiteetin muutoksia, siirtymiä ja katoamisia, kun mitattiin eri kerroksisia materiaaleja. Työssä havaittiin myös lämpötilan vaikutus fotoluminesenssispektrien eksitonisten kompleksien aiheuttamien piikkien sijainteihin ja intensiteetteihin. Heterorakenteiden spektrien huomattiin pääasiassa koostuvan sitä muodostavien kerroksien spektrien piikeistä. Tämän takia monikerroksisten heterorakenteiden karakterisointi Raman-spektroskopialla sekä fotoluminesenssispektroskopialla voi olla haastavaa. Erityisesti havaittiin, että näin ei käy kaikkien heterorakenteiden matalan taajuuden värähtelytiloista johtuville piikeille Raman-spektrissä. Tutkimalla heterorakennetta muodostavia materiaaleja monella eri karakterisointimenetelmällä voidaan heterorakenne karakterisoida kokonaisvaltaisemmin.
Description
Supervisor
Kinnunen, Jami
Thesis advisor
Ali, Fida
Keywords
two-dimensional materials, tungsten diselenide, molybdenum diselenide, transition metal dichalcogenides, van der Waals forces, heterostructure
Other note
Citation