Charge transport in two-dimensional materials and their electronic applications

Autor: Arora, Himani
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Druh dokumentu: Text<br />Doctoral Thesis
Popis: Semiconducting two-dimensional (2D) materials have gained considerable attention in recent years owing to their potential in future electronics. On the one hand, the conventional 2D semiconductors, such as transition metal dichalcogenides (TMDCs (MoS2, WS2, etc.) are being exhaustively studied, on the other hand, search for novel 2D materials is at a rapid pace. In this thesis, we explore 2D materials beyond graphene and TMDCs in terms of their intrinsic electronic properties and underlying charge transport mechanisms. We introduce 2D semiconducting materials of indium selenide (InSe) and gallium selenide (GaSe), and a novel π-d conjugated Fe3(THT)2(NH4)3 metal-organic framework (MOF) as potential candidates for their use as active elements in (opto)electronic applications. Owing to the air-sensitivity of InSe and GaSe, their integration into active devices has been severely constrained. Here, we report a hexagonal boron nitride (hBN) based encapsulation, where 2D layers of InSe and GaSe are sandwiched between two layers of hBN; top hBN passivating the 2D layer from the environment and bottom hBN acting as a spacer and suppressing charge transfer to the 2D layer from the SiO2 substrate. To fabricate the devices from fully encapsulated InSe and GaSe layers, we employ the technique of lithography-free via-contacts, which are metal contacts embedded within hBN flakes. Based on our results, we find that full hBN encapsulation preserves InSe in its pristine form and suppresses its degradation with time. Consequently, the electronic properties of encapsulated InSe devices are significantly improved, leading to a mobility of 30–120 cm2 V−1 s−1 as compared to a mere ∼1 cm2 V−1 s−1 obtained for unencapsulated devices. In addition, encapsulated InSe devices are stable for a prolonged period of time, overcoming their limitation to be air-sensitive. On employing full hBN encapsulation to GaSe, a high photoresponsivity of 84.2 A W−1 at 405 nm is obtained. The full hBN encapsulation technique passivates the air-sensitive layers from various degrading factors and preserves their unaltered properties. In the future, this technique can be applied to other 2D materials that have been restricted so far in their fundamental study and applications due to their environmental sensitivity. MOFs are another emerging class of semiconducting 2D materials investigated in this thesis. They are hybrid materials that consist of metal ions connected with organic ligands via coordination bonds. In recent years, advances in synthetic approaches have led to the development of electrically conductive MOFs as a new generation of electronic materials. However, to date, poor mobilities and hopping-type charge transport dominant in these materials have prevented them from being considered for electronic applications. In this work, we investigate a newly developed π-d conjugated Fe3(THT)2(NH4)3 (THT: 2,3,6,7,10,11-hexathioltriphenylene) MOF. The MOF films are characterized with a direct bandgap lying in the infrared (IR) region. By employing Hall-effect measurements, we demonstrate band-like transport and a record-high mobility of 230 cm2 V−1 s−1 in Fe3(THT)2(NH4)3 MOF films. The temperature-dependent conductivity confirms a thermally activated charge carrier population in the samples induced by the small bandgap of the analyzed MOFs. Following these results, we demonstrate the feasibility of using this high-mobility semiconducting MOF as an active material in thin-film optoelectronic devices. The MOF photodetectors fabricated in this work are capable of detecting wavelengths from UV to NIR (400–1575 nm). The narrow IR bandgap of the active layer constrains the performance of the photodetector at room temperature by band-to-band thermal excitation of the charge carriers. At 77 K, the device performance is significantly improved; two orders of magnitude higher voltage responsivity, lower noise equivalent power, and higher specific detectivity of 7 × 10^8 cm Hz1/2 W−1 are achieved at 785 nm excitation, which is a direct consequence of suppressing the thermal generation of charge carriers across the bandgap. These figures of merit are retained over the analyzed spectral region (400–1575 nm) and are comparable to those obtained with the first demonstrations of graphene and black phosphorus based photodetectors, thus, revealing a promising application of MOFs in optoelectronics.
Zweidimensionale (2D) Halbleiter haben dank ihres Potenzials für elektronische Anwendungen in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt. Dabei werden einerseits konventionelle 2D-Materialien, wie die Übergangsmetall-Chalkogenide (TMDCs) (MoS2, WS2, usw.) intensiv erforscht. Andererseits schreitet auch die Suche nach neuen 2D-Materialien rasch voran. Diese Dissertation stellt Forschungsergebnisse zu elektrischen Eigenschaften und den zugrundeliegenden Ladungstransportmechanismen von 2D-Materialien jenseits von Graphen und TMDCs vor. Untersucht wurden die 2D-Halbleiter Indiumselenid (InSe) und Galliumselenid (GaSe), sowie eine neuartige π-d konjugierte Metallorganische Gerüstverbindung (Metal-Organic Framework, MOF) Fe3(THT)2(NH4)3. Diese Materialien sind vielversprechende Kandidaten für elektronische und optoelektronische Anwendungen. InSe und GaSe sind besonders luftempfindliche Materialien. Aus diesem Grund ist ihre Verwendung für aktive Bauteile trotz ihrer hervorragenden elektrischen Eigenschaften bis heute sehr begrenzt. In dieser Arbeit wird ein effektives Verkapselungsverfahren vorstellt, bei dem InSe- oder GaSe-2D-Schichten zwischen zwei Schichten aus hexagonalem Bornitrid (hBN) eingebettet werden. Die untere Schicht hBN isoliert das Material vom Substrat Siliziumdioxid (SiO2), während die obere Schicht das 2D-Material luftdicht isoliert. Um Bauteile aus komplett eingekapseltem InSe oder GaSe herzustellen, wurden lithographiefreie, sogenannte via-Kontakte hergestellt. Dies sind Metallkontakte, die bereits vor der Verkapselung in die hBN-Schichten integriert werden. Die hBN-Verkapselung erhält InSe in seiner ursprünglichen Form. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass sich die elektronischen Eigenschaften von InSe durch Verkapselung signifikant verbessern, was zu elektrischen Mobilitäten von 30–120 cm2 V−1 s−1 gegenüber nur rund ∼1 cm2 V−1 s−1 in unverkapselten Bauteilen führt. Darüber hinaus bleiben die Eigenschaften der verkapselten InSe-Bauteile über einen langen Zeitraum erhalten und degradieren nicht mehr bei Kontakt mit Luft. Die Verkapselung von GaSe ermöglicht den Einsatz in Fotodetektoren, bei einer Wellenlänge von 405 nm wird eine Fotoempfindlichkeit von 84.2 A W−1 gemessen; auch hier bewahrt die Verkapselung die empfindlichen Schichten vor schädlichen Einflüssen und konserviert so ihre unveränderten Eigenschaften. In der Zukunft kann diese Technik auch für andere 2D-Materialien eingesetzt werden, insbesondere für solche, deren Erforschung und Anwendung durch die große Empfindlichkeit bis heute eingeschränkt ist. Darüber hinaus untersucht diese Dissertation mit Metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) eine zweite Klasse halbleitender 2D-Materialien. MOFs sind hybride Materialien aus Metallionen, die mit organischen Molekülen als Verbindungselementen eine meist kristalline Struktur bilden. In den letzten Jahren haben Fortschritte in der synthetischen Herstellung zur Entwicklung von elektronisch leitfähigen MOFs geführt. Die niedrige Mobilität und der sogenannte hopping-Ladungstransport der gängigsten MOFs haben jedoch verhindert, dass diese für Anwendungen betrachtet wurden. In dieser Arbeit wird eine kürzlich neu entwickelte, π-d-konjugierte Fe3(THT)2(NH4)3 (THT: 2,3,6,7,10,11-hexathioltriphenylene) MOF vorgestellt. Der MOF Film hat eine direkte Bandlücke im Infrarot(IR)-Bereich liegend. Mithilfe von Hall-Effekt-Messungen wurde gezeigt, dass der Transport in den Fe3(THT)2(NH4)3 MOF Filmen mit dem Drude-Modell konsistent ist. Darüber hinaus wird eine bis jetzt nicht übertroffene Mobilität von 230 cm2 V−1 s−1 gemessen. Die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit bestätigt, dass die kleine Bandlücke zu thermisch aktivierten Ladungstragerdichten in den Proben führt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird die Machbarkeit von hochmobilen halbleitenden Fe3(THT)2(NH4)3 MOFs als aktives Material in dünnen optoelektronischen Bauteilen gezeigt. Die hier vorgestellten MOF Fotodetektoren reagieren auf Wellenlängen im UV bis Nahinfrarotspektrum (400–1575 nm). Die schmale Bandlücke schränkt die Leistung des Fotodetektors bei Raumtemperatur durch thermische Band-zu-Band-Anregung der Ladungsträger ein. Bei einer Temperatur von 77 K verbessert sich die Leistung des Detektors signifikant: Bei 785 nm wird eine um zwei Größenordnungen erhöhte Spannungsempfindlichkeit, eine niedrigere äquivalente Rauschleistung sowie eine höhere spezifische Empfindlichkeit von 7 × 10^8 cm Hz1/2 W−1 erhalten. Dies ist eine direkte Konsequenz der Unterdrückung thermischer Anregung von Ladungsträgern über die Bandlücke. Diese Leistungszahlen sind über das analysierte Spektrum (400–1575 nm) gültig und vergleichbar mit den ersten Fotodetektoren auf Grundlage von Graphen und Schwarzem Phosphor. Die Ergebnisse zeigen deutlich das Potenzial von MOFs für optoelektronische Anwendungen.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: