Atomar dünn und lateral ausgedehnt: Großflächige Molybdändisulfid-Einzellagen mit Grenzflächen für die Anwendung in elektrischen Bauelementen

Zweidimensionale Materialien wie MoS2-Einzellagen enthüllten schon in den ersten Jahren ihrer Nobelpreis-gekrönten Erforschung das Potential, in zukünftigen elektrischen Bauelementen zur Anwendung zu kommen. Allerdings ist es auf demWeg zur Integration in echte Anwendungen notwendig, noch einige Herausforderungen wie z.B. eine großflächige, homogene Herstellung zu meistern. Weil zweidimensionale Materialien nur aus Oberflächen bestehen, sind des Weiteren genaue Kenntnisse über die Interaktion mit ihrer Umgebung erforderlich.


In der vorliegenden Dissertationen werden daher zwei alternativen Routen zur großflächigen Herstellung von MoS2-Einzellagen thematisiert, welche in der AG Schleberger an der Universität Duisburg-Essen etabliert wurden: Die chemische Gasphasenabscheidung und die mikromechanische Exfoliation. Während erstere Route eine der bislang vielversprechensten Methoden zur großflächigen Herstellung von Einzellagen mit großen Domänen ist, ist die herkömmliche Exfoliation im Allgemeinen nur für die Isolation einzelner zweidimensionaler Flocken bekannt. Wird die mikromechanische Exfoliation auf frisch präparierten oder gesäuberten Goldoberflächen durchgeführt, eignet sie sich allerdings ebenfalls für die großflächige Herstellung. Mittels beider Herstellungsrouten sowie mittels Transfermethoden werden MoS2-Einzellagen in Kontakt mit drei Materialien gebracht (Dielektrikum: SiO2, van der Waals Material: Graphen/Graphit, Metall: Gold), welche zentrale Grenzflächen für die Anwendungen in elektrischen Bauelementen darstellen.


Die Untersuchung dieser Grenzflächen zeigt, dass das Verhalten von MoS2 von der Kopplung mit dem Kontaktmaterial bestimmt wird. Bereits ein interkalierter Wasserfilm von wenigen Angström Dicke reicht aus, die Kopplung signifikant zu verringern. Die im Rahmen dieser Arbeit eingeführte Gleichung zur Transformation der Raman- Verschiebung charakteristischer MoS2-Moden bestätigt, dass eine Entkopplung von MoS2-Einzellagen zu einem verringerten Elektronentransfer zum Substrat sowie zu Dehnungsabbau führt. Unter anderem verursacht die Kopplung mit SiO2 eine ausgeprägte Photolumineszenzintensität, mit Graphen/Graphit einen effizienten Ladungsträger- sowie Energietransfer und mit Gold eine ungewöhnliche Raman-Signatur, deren Ausprägung als Maß für den Anteil der koppelnden Kontaktfläche verwendet werden kann. Unterstützt durch Kelvin-Sondenmikroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und polarisationsabhängige Raman-Spektroskopie kann insbesondere eine zusätzliche Raman-Mode im Kontext mit dem von Gong et al. rechnerisch vorausgesagten Fermi-Level-Pinning-Mechanismus [Nano Lett., 14:1714-1720, 2014] als Resultat der Schwächung der Molybdän-Schwefel-Bindungen durch die Gold-Schwefel-Interaktion interpretiert werden.

Two-dimensional materials such as molybdenum disulfide revealed their potential for use in future electrical devices in the early years of their Nobel Prize-certified discovery. However, towards integration in real applications some challenges still need to be overcome, such as a production of the material on a large scale and in a homogeneous manner. In addition, two-dimensional materials require precise knowledge of the interaction with their environment because they exclusively consist of surfaces.


For this reason, this thesis focuses on two alternative routes for the large-scale production of MoS2 single layers, which have been established in the Schleberger group at the Universität Duisburg-Essen: Chemical vapor deposition and micromechanical exfoliation. While the former route is currently one of the most promising methods for the large-scale production of single layers with large domains, conventional exfoliation is generally known only for the isolation of singular two-dimensional flakes. However, if micromechanical exfoliation is performed on freshly prepared or cleaned gold surfaces, it is also an appropriate method for large-scale production. Using both production routes and transfer methods, MoS2 single layers are brought into contact with three materials (dielectric: SiO2, van der Waals material: graphene/graphite, metal: gold), which represent key interfaces for applications in electrical devices.


The study of these interfaces shows that the properties of MoS2 are determined by the coupling with the contact material. An intercalated water film of a few Angstroms thickness is already sufficient to significantly reduce this coupling. The introduced equation for transforming the Raman shift of characteristic MoS2 modes confirms, that decoupling of MoS2 single layers leads to a reduced electron transfer to the substrate as well as to a release of strain. Among other effects, the coupling with SiO2 causes a pronounced photoluminescence intensity, with graphene/graphite an efficient charge carrier and energy transfer, and with gold an unusual Raman signature, the magnitude of which can be used as an indicator for the fraction of the coupling contact area. Supported by Kelvin probe microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and polarization-dependent Raman spectroscopy, in particular an additional Raman mode can be interpreted in the context of the Fermi level pinning mechanism [Nano Lett., 14:1714-1720, 2014] predicted by Gong et al. as a result of the weakening of the molybdenum-sulfur bonds by the gold-sulfur interaction.

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