Μελέτη φυσικών & δομικών ιδιοτήτων υπέρλεπτων υμενίων δισδιάστατων σεληνιούχων ενώσεων μετάλλων που έχουν παρασκευαστεί με τη μέθοδο της επιταξίας με μοριακές δέσμες

Βασσάλου, Ελένη; Vassalou, Eleni

dc.contributor.author	Βασσάλου, Ελένη	el
dc.contributor.author	Vassalou, Eleni	en
dc.date.accessioned	2015-10-01T09:56:21Z
dc.date.available	2015-10-01T09:56:21Z
dc.date.issued	2015-10-01
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41361
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.4484
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Μικροσυστήματα και Νανοδιατάξεις”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Μέθοδος επιταξίας	el
dc.subject	Οριακές δέσμες	en
dc.subject	HfSe2	en
dc.subject	Bi2Se3	en
dc.subject	RHEED	en
dc.subject	PES	en
dc.subject	XRD	en
dc.subject	MoSe2	en
dc.title	Μελέτη φυσικών & δομικών ιδιοτήτων υπέρλεπτων υμενίων δισδιάστατων σεληνιούχων ενώσεων μετάλλων που έχουν παρασκευαστεί με τη μέθοδο της επιταξίας με μοριακές δέσμες	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Φυσική υλικών	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-03-12
heal.abstract	Η ολοένα και αυξανόμενη ζήτηση για ηλεκτρονικά χαμηλής κατανάλωσης που θα επιτρέπουν την περαιτέρω σμίκρυνση (scaling) με αύξηση της πυκνότητας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (integrated circuits, IC) και της συχνότητας λειτουργίας έχουν αναδείξει τα δισδιάστατα υλικά ως τα νέα δομικά στοιχεία για την κατασκευή “πράσινων” συσκευών transistor επίδρασης πεδίου. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο δομικός και φυσικός χαρακτηρισμός υπέρλεπτων υμενίων που αποτελούνται από δισδιάστατους ημιαγωγούς ενώσεων μετάλλων - Se, τα οποία βρίσκουν εφαρμογή σε transistors σήραγγας επίδρασης πεδίου (Tunnel Field Effect Transistor, TFET). Οι συσκευές TFET έχουν την ίδια δομή και λειτουργία με τα transistor μετάλλου – οξειδίου - ημιαγωγού επίδρασης πεδίου (metal-oxide-semiconductor field-effect, MOSFET) με τη σημαντική διαφορά να εντοπίζεται στο θεμελιώδη μηχανισμό μεταγωγής ρεύματος (switching): τα TFETs εναλλάσσουν την κατάσταση του ρεύματος (on - off) ρυθμίζοντας το κβαντικό φαινόμενο σήραγγας μέσα από το φράγμα, αντί να διαμορφώνουν τη θερμιονική εκπομπή πάνω από το φράγμα, με αποτέλεσμα να είναι ενεργειακά πιο κερδοφόρα. Τα μεταλλικά χαλκογενίδια είναι φυλλόμορφα δισδιάστατα υλικά με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς πάνω στα επίπεδα τους, χαρίζοντάς τους υψηλή αντοχή, και ασθενέστερες, τύπου Van der Waals, δυνάμεις να τα συγκρατούν. Η ανάπτυξή τους πραγματοποιήθηκε με επιταξία με μοριακές δέσμες (Molecular Beam Epitaxy, MBE), που μας προσφέρει τη δυνατότητα να αποκτήσουμε υψηλής ποιότητας υμένια με ακρίβεια ενός ατομικού επιπέδου. Στην εργασία αυτή περιγράφονται αναλυτικά οι φυσικές ιδιότητες και τα δομικά χαρακτηριστικά των μεταλλικών χαλκογενιδίων Bi2Se3, MoSe2 και HfSe2 τα οποία έχουν εναποτεθεί σε μονωτικά κρυσταλλικά υποστρώματα AlN(0001)/ Si με τη μέθοδο της επιταξίας με μοριακές δέσμες (MBE), με βασική πίεση στην περιοχή των 10-10 Torr. Τα δείγματα που κατασκευάστηκαν μελετήθηκαν ως προς την κρυσταλλική τους ποιότητα, τόσο παράλληλα στην επιφάνειά τους (επιταξία), όσο και ως προς τον τρόπο ανάπτυξής τους, διεξάγοντας μετρήσεις περίθλασης ανακλώμενων ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας (Reflection High Energy Electron Diffraction, RHEED), περίθλασης ακτίνων Χ (X - Ray Diffracion, XRD) και ανακλαστικότητας ακτίνων Χ (X - Ray Reflectivity, XRR). Από τη μελέτη των πειραματικών αποτελεσμάτων της τεχνικής RHEED πιστοποιήθηκε η επιταξιακή ανάπτυξη των υμενίων στο υπόστρωμα με τη δημιουργία απότομων διεπιφανειών. Αποδείχθηκε ότι το μέγεθος της αναντιστοιχίας των πλεγματικών σταθερών δε δημιουργεί εμπόδια στην επιταξιακή ανάπτυξη των υμενίων, ούτε εισάγει κάποια αισθητή μηχανική τάση. Στη συνέχεια, οι μετρήσεις XRD επιβεβαίωσαν ότι οι κρύσταλλοι των χαλκογενίδιων μετάλλων είναι εξαιρετικά προσανατολισμένοι κατά μήκος του άξονα c, δηλαδή κατά μήκος της διεύθυνσης ανάπτυξής τους. Για τα υμένια Bi2Se3 και MoSe2, η εμφάνιση κροσσών Kiessig στις εικόνες περίθλασης XRD υποδεικνύουν ότι οι κρύσταλλοι έχουν αναπτυχθεί επιταξιακά πάνω στο υπόστρωμα AlN /Si, με καλή ομοιογένεια και δημιουργώντας ομαλές διεπιφάνειες. Για το υμένιο HfSe2, οι μετρήσεις XRR υποδεικνύουν το σχηματισμό ενός επιφανειακού στρώματος HfSeOx, η ύπαρξη του οποίου επιβεβαιώθηκε με φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (X – Ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) για γωνία εκπομπής 64ο. Για το φυσικό χαρακτηρισμό των υμενίων πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις XPS και συγκεκριμένα εκτιμήθηκε η στοιχειομετρία των αποτιθέμενων υμενίων σε μονωτικά υποστρώματα AlN(0001)/ Si, η οποία είναι κοντά στην ιδανική για κάθε περίπτωση. Επιπλέον, η θέση και η μορφή των κορυφών (lineshape) των δέσμιων καταστάσεων των μετάλλων Bi, Mo και Hf και του Se υποδεικνύουν ότι τα μεταλλικά χαλκογενίδια δεν αντιδρούν με το υπόστρωμα AlN, παρουσιάζοντας ελάχιστη διάχυση στις διεπιφάνειες και σχηματισμό αιχμηρών διεπιφανειών. Για το υμένιο HfSe2, η εμφάνιση μιας διπλής κορυφής σε μεγαλύτερες ενέργειες σύνδεσης υποδεικνύει αύξηση της οξειδωτικής κατάστασης του Hf στα άνω επιφανειακά στρώματα λόγω των δεσμών Hf - Se – O, σε συνέπεια με τις μετρήσεις XRR. Τέλος, με τη φασματοσκοπία ARPES μελετήθηκε η ηλεκτρονιακή δομή των μεταλλικών χαλκογενίδιων. Αναμφίβολα, το πιο σημαντικό αποτέλεσμα είναι ότι τα υμένια Bi2Se3 πάνω σε υπόστρωμα AlN(0001) διατηρούν τις ιδιότητες ενός 3D τοπολογικού μονωτή (Topological Insulator, TI) σε πολύ χαμηλό πάχος της τάξης των 3QL (~ 2.88 nm), παρουσιάζοντας gapless μεταλλικές επιφανειακές καταστάσεις με τη μορφή ενός κώνου Dirac. Στην περίπτωση του ημιαγωγού MoSe2 πιστοποιήθηκε η μετάβαση από έμμεσο ενεργειακό χάσμα σε άμεσο (1.58 eV) καθώς μειώνεται το πάχος του σε μια μονοστιβάδα, προσελκύοντας το ενδιαφέρον για τη χρήση του σε φωτοβολταϊκά και στη φωτοκατάλυση. Τέλος, τα αποτελέσματα του band alignment τόσο για τις διάφορες ετεροεπαφές μεταλλικών χαλκογενιδίων με το υπόστρωμα ΑΙΝ όσο και για τη διεπιφάνεια MoSe2/ HfSe2 υποδεικνύουν ότι: • Το AlN θα μπορούσε να λειτουργεί ως ένα κατάλληλο μονωτικό υπόστρωμα για τη λειτουργία ηλεκτρονικών συσκευών που βασίζονται σε μεταλλικά χαλκογενίδια, δεδομένου ότι οι αρκετά υψηλές τιμές valence band offsets (VBO) και conduction band offsets (CBO) αναμένεται να επιβάλλουν ένα φράγμα μεταφορών τόσο για τα ηλεκτρόνια όσο και για τις οπές με ελάχιστη διαρροή μέσω του υποστρώματος. • Το band alignment τύπου II μεταξύ HfSe2 και MoSe2 ευνοεί την πραγματοποίηση ατομικά λεπτών ετεροεπαφών p - n με εφαρμογές στην οπτοηλεκτρονική και τα ηλιακά κύτταρα.	el
heal.advisorName	Δημουλάς, Αθανάσιος (Ε.Κ.Ε.Φ.Ε.)	el
heal.committeeMemberName	Ράπτης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Τσουκαλάς, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	113 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true