Geri Dön

LiP-CVD growth of multi-shape monolayer WS2: Determination and investigation of defect domains

Çok şekilli tek katmanlı WS2' ün LiP-CVD ile büyütülmesi: Kusur alanlarının belirlenmesi ve incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 888341
  2. Yazar: HASRET AĞIRCAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. GÜLDEM KARTAL ŞİRELİ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 138

Özet

İnsanlığın gelişimi, tarih boyunca keşfedilen yeni malzemeler ve bu malzemelerin yarattığı yeni kullanım alanları ile doğrudan ilişkilidir. Şüphesiz ki tarih öncesi çağların isimlerini dönem içerisinde kullanılan malzemelerden alması da bu gelişimi açıklayan kanıtlardan biridir. Devamlılığın esas olduğu bu gelişim yolculuğundasilikon ve germanyum gibi 4A grubu elementleri mevcut dönemi şekillendiren ve teknolojideki ivmeyi arttıran, önemli aktörler olmuşlardır. Silikon çağı da tanıklık ettiğimiz yakın çağlardan biri olup, küresel inovasyon merkezi olan silikon vadisine ismine veren bu malzeme elektronik uygulamalarda harikalar yaratarak modern teknolojinin yapı taşı olmuştur. Teknolojide yeni bir boyut ve algı yaratacak malzemenin yine 4A grubu elementlerinden karbonun olması, muazzam döngünün kusursuz işleyişini ortaya koymaktadır. 2004 yılında Novolesov ve Geim, malzeme biliminde bir dönüm noktası olan selobant yöntemini (Novoselov vd. 2004) kullanarak bir atom kalınlığındaki grafeni eksfoliye ederek çığır açan bir başarıya imza atmıştır ve bu başarı 2010 yılında Nobel Ödülü ile taçlandırılmıştır. Böylece grafen, elektronik ve tıp dahil olmak üzere çeşitli sektörlerde geniş potansiyele sahip umut verici bir malzeme ve modern teknolojinin yeni bir yapıtaşı olma rolünü üstlenmiştir. Grafenin olağanüstü mekanik, elektriksel ve optik özellikleri, bilim insanlarını yeni iki boyutlu (2D) malzemeler keşfetmeye yöneltmiştir. Geçiş Metal dikalkojenitler (TMD'ler) en ilgi çekici 2D katmanlı yapılar arasındadır. Yığın halindeki benzerlerinden birkaç katmanlı veya tek katmanlı kalınlıklara indirgendiklerinde, doğrudan bant aralıkları, yüksek fotolüminesans ve spin-yörünge bölünmesi sergilemektedirler. Benzersiz özellikleri sayesinde, bu malzemeler elektronik ve optoelektronik uygulamalar için gelecek vadeden malzemeler haline dönüşmüşlerdir. Bu tezde, güçlü fotolüminesans, ~ 2 eV doğrudan optik bant aralığı ve K noktasında spin polarize ışık-madde iletimine olanak tanıyan büyük spin-yörünge bölünmesi gibi olağanüstü özellikleriyle bilinen TMD' lerin dikkat çekici bir üyesi olan WS2 çalışılmıştır. Bu olağanüstü özellikler WS2' ü alan etkili transistörler (FET'ler), fotodedektörler, spintronik ve kuantum uygulamaları dahil olmak üzere ileri teknoloji uygulamaları için umut verici bir aday olarak konumlandırmaktadır. Literatürde, TMD'lerin sentezlenmesi için kalınlık kontrolü eksikliği ve düşük ölçekli üretim gibi dezavantajlara sahip çok sayıda üretim tekniğinden bahsedilmiştir. Bu çalışmada, malzemenin nanometrik boyuttaki kalınlığını ve boyutlarını kontrol edebilme, çeşitli morfolojilerde üretme ve büyük ölçekli büyütmeyi mümkün kılan Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) yöntemi tercih edilmiştir. CVD sırasında büyüme parametrelerini değiştirebilme esnekliği, belirli gereksinimleri karşılamak ve uygulama performansını arttırmak için özel olarak tasarlanmış WS2 pullarının sentezini kolaylaştırmaktadır. Genellikle yüksek sıcaklıkta CVD işlemleri gerektiren ve daha küçük pullar verme eğiliminde olan katı başlatıcıların neden olduğu kısıtlmaların üstesinden gelmek için ise sıvı başlatıcılar (LiP) kullanılmıştır. LiP-CVD, ölçeklenebilirlik, transfer kolaylığı, maliyet etkinliği ve düşük toksisiteye sahip başlatıcıların kullanımı dahil olmak üzere birçok temel avantaj sağlayan bir sentez tekniğidir. Sıvı fazda W içeren bir başlatıcı kullanılması, sülfür ile büyüme reaksiyonunun doğrudan altlık üzerinde gerçekleşmesini sağlar ve böylece standart buharlaştırma tekniklerine kıyasla gerekli reaktan miktarını azaltmaktadır. Buna ek olarak, bir büyütme destekleyicisinin (NaOH) kullanılması, sıcaklığı yükseltirken başlatıcı miktarını en aza indirmeye ve S ile reaksiyon enerjisini düşürmeye yardımcı olmaktadır. Bu, katı başlatıcı ile CVD sentezine kıyasla nispeten daha kısa sürede ve düşük sıcaklıklarda büyük boyutlu kristaller elde edilmesini sağlamaktadır. Tez çalışmasında öncelikle, büyütme parametrelerini optimize ederek CVD sentez metodolojisi üzerine odaklanarak, üretim reçetesi geliştirilmiştir. Deneysel bulgularımız, CVD ile büyütülmüş tek katmanlı WS2' ün mevcut literatürle uyumunu doğrulamaktadır. Bu kapsamda deneysel çalışmaların ilk bölümünde CVD ile büyütülmüş WS2' ün özelliklerini incelemek için ön araştırmalarımızda Raman, PL ve AFM teknikleri kullanılmıştır. Analiz sonuçlarından elde edilen veriler, CVD' deki kritik parametrelere dair önemli bilgiler sunarak ve farklı özelliklere sahip WS2 pullarının sentezlenmesini sağlamıştır. Mevcut çalışmalar, W başlatıcısına karşın sülfür miktarını ayarlayarak, WS2' ün şekilsel olarak değişiminin, kontrollü bir şekilde sağlanabileceğini göstermiştir. Elde edilen veriler, üçgen WS2 pullarının sülfür açısından zengin bir ortamda oluştuğunu, altıgen WS2 pullarının ise sülfür eksikliği olan bir ortamda büyüdüğünü ortaya koymuştur. Bu sonuçlarla aynı doğrultuda, farklı bir parametre değişikliğine giderek, büyüme sırasında Ar arka plan basıncını düşürüp W başlatıcı ile reaksiyona giren kükürt miktarını azaltılmıştır. Raman ve PL ölçümleri, her kristal yapısında alansal farklıların varlığına işaret etmektedir ve X-ışını fotoemisyon spektroskopisi (µXPS) ölçümleri aracılığıyla, literatürdeki son bulguları destekleyerek alansal kusurların kimyasal doğası belirlenmiştir. PL ve XPS teknikleri kullanılarak bu alansal farklılar belirlenmiş ve sırasıyla düşük ve yüksek PL yoğunluğu ile karakterize edilen W ve S bakımından zengin boşluklar içeren bölgeler tanımlanmış ve en nihayetinde VW (koyu) ve VS (parlak) alanlar olarak sınıflandırılmıştır. Kelvin probe kuvvet mikroskobu (KPFM) incelemeleri ve mikro açıda çözünmüş fotoemisyon spektroskopisi (µARPES) analizleri, kimyasal olarak farklı alanlar içindeki elektronik özellikleri (yani, elektronik afinite ve bant yapısı) ortaya çıkarmak için kullanılmıştır. VS (sülfür boşluğu açısından zengin) alanında, VW (tungsten boşluğu açısından zengin) alanına kıyasla daha derin bir bağlanma enerjisi sergileyen daha yüksek bir yüzey potansiyeli gözlemlenmiştir. Geçit bağımlı PL deneyleri aracılığıyla PL spektrumundaki yarı parçacıkların bileşimi belirlenmiş ve W boşlukları varlığının eksitonları dış bir geçidin etkisinden koruduğunu öne süren bir gevşeme mekanizması modeli önerilmiştir. CVD sürecinde kaçınılmaz şekilde oluşan kristal kusurların üretilen malzemelerde de mevcut olduğu ve bu yapısal kusurların tipinin, konsantrasyonun ve yoğunluğunun kristalin optik ve elektronik özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Tez çalışmasının ikinci bölümünde, büyüme çözeltisindeki metal başlatıcı (AMT) ve destekleyici (NaOH) arasındaki oran değiştirelerek, WS2 pulları üzerindeki etkisi çalışılmıştır. Ayrıca, CVD ile büyütülmüş WS2'ün büyüme çözeltisindeki bileşen oranına bağlı olarak şekil değişimi de incelenmiştir. Büyüme koşullarını etkileyen metal başlatıcı miktarının yüksek olduğu durumlarda dendritik yapılar gözlemlenmiştir. Raman ve PL ölçümleri sayesinde, şekil değişimi sırasında gözlemlenen alansal geçişin, önceki büyüme örneklerindeki gibi, 2 boyutlu haritalarda belirgin bir şekilde oluşmadığı gözlemlenmiştir. PL yoğunluğunun belirgin olmayan bu alanlardaki değeri daha önceki büyütmelere göre dramatik bir düşüş sergilememiştir. Dendritik yapıların oluşumunun yanı sıra, CVD sırasında kristal içindeki gerilmenin dikkate alınmasına neden olan, bazı pullarda E2g Raman modunun düşük enerjilere doğru kayması da tespit edilmiştir. Uzun soluklu araştırmalarda kullanılacak olan WS2 kristallerinin başlangıç özelliklerini korumak için, özellikle atmosferik koşullara ve doğal ışığa maruz kalma durumunda saklama koşullarının belirlenmesi üzerine deneysel çalışmalar yapılmıştır. Günlük atmosferik koşullara maruz kaldıktan sonra, altlık üzerinde ve pulların altında kalan Na2O parçacıkların kademeli olarak büyüdüğünü ve bunun da zamanla yüzey pürüzlülüğünün artmasına neden olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, laboratuvar ışığının altıgen şekilli WS2 kristallerinin, özellikle de VW ve VS alanları sergileyenler, optik davranışlarının zamanla değişimi de incelemiştir. Elde edilen verilerle, VW alanlarının VS alanlarına kıyasla ışığa karşı daha hassas olduğunu belirlenmiştir. Analiz çıktıları göstermektedir ki, kristal yapıda meydana gelen kafes kusurlarının her zaman dezavatanjlı değildir. Hata mühendisliği sayesinde, bu noktasal kafes kusurlarından faydalanılarak ileri teknoloji uygulamalarında kullanımlarının mümkünlüğü ortaya konmaktadır. Kusurlar nedeniyle meydana gelen kuantum hapsi, polariazasyon etkisi ve luminesans merkezlerin oluşması, bu malzemelerin quantum teknolojilerinde kullanım potansiyelini ortaya çıkarmıştır.

Özet (Çeviri)

Throughout human history, the discovery and application of new materials have been crucial drivers of civilization's advancement. From ancient epochs to the present day, the utilization of specific materials has often defined eras, emphasizing the profound impact of material innovation on societal progress. Group 4A elements, including silicon, germanium, tin, and lead have played a pivotal role in this narrative, shaping the technological landscape in significant ways. Silicon, in particular, has become synonymous with electronic applications, epitomized by Silicon Valley's status as a global hub of innovation. The inclusion of carbon within Group 4A further underscores the group's importance, highlighting its role as a cornerstone of modern technology. In 2004, Novolesov and Geim's achieved a groundbreaking feat by isolating one-atom-thick graphene using the scotch tape method, a milestone in materials science. This discovery, honored with the Nobel Prize in 2010, propelled graphene into prominence as a highly promising material with broad potential across diverse sectors, including electronics and medicine. The exceptional mechanical, electrical, and optical properties of graphene have prompted scientists to explore new two-dimensional (2D) materials. Transition Metal dichalcogenides (TMDs) are among the most intriguing 2D layered structures. When reduced to few-layer or monolayer thicknesses from their bulk counterparts, they exhibit direct bandgaps, high photoluminescence, and spin-orbit splitting. These unique properties make them promising materials for electronic and optoelectronic applications. In this thesis, we focus on WS2, a remarkable member of TMDs known for its exceptional properties, such as strong photoluminescence, ~ 2 eV direct optical bandgap, and large spin-orbit splitting at the K point, enabling spin-polarized light-matter transduction. These remarkable attributes position WS2 as a promising candidate for advanced technology applications, including field-effect transistors (FETs), photodetectors, and spintronics. In the literature, numerous production techniques for synthesizing TMDs have been documented, each with its drawbacks, such as lack of thickness control and limited scalability. In our work, we opted for Chemical Vapor Deposition (CVD), which offers advantages such as the ability to precisely control thickness and dimensions, produce diverse morphologies, and enable large-scale growth. The flexibility to tailor growth parameters during CVD facilitates the synthesis of WS2 flakes tailored precisely to meet specific requirements and applications. We used liquid precursors (LiP) to overcome the limitations posed by solid precursors, which often require high-temperature CVD processes and tend to yield smaller flakes. LiP-CVD is a synthesis technique which provides several fundamental advantages, including scalability, ease of transfer, cost-effectiveness and the use of precursors with low toxicity. Employing a W-containing precursor in liquid phase allows the reaction with sulfur to occur directly on the growth substrate, thereby reducing the required amount of reactant compared to standard co-evaporation techniques. In addition, the use of a growth promoter – i.e. NaOH – helps to minimize precursor consumption while ramping-up the temperature and to lower the reaction energy with S. This allows to achieve large-size crystals in a relatively short time and at relatively low temperatures, compared to the solid precursor CVD process. We conducted research on CVD synthesis methodology by fine-tuning the growth parameters. Our experimental findings confirmed the alignment of the CVD-grown monolayer WS2 with existing literature. In the first part of the thesis, Raman, PL, and AFM analyses were employed in our preliminary investigations to assess the properties of CVD-grown WS2. The insights gleaned from the analysis results helped us deepen our understanding of critical parameters in CVD, enabling the synthesis of WS2 flakes with diverse characteristics. Previous studies have demonstrated control over WS2 shape by adjusting the amount of sulfur relative to that of W precursor. They found that triangular WS2 flakes were formed within a sulfur-rich environment, while hexagonal WS2 flakes developed in a sulfur-deficient condition. In analogy with those results, we reduced the amount of sulfur reacting with the W precursor by decreasing the Ar background pressure during the growth. Raman and PL measurements indicate the existence of distinct domains within each crystal type, and via selected-area X-ray photoemission spectroscopy (µXPS) measurements, we identified the chemical nature of the defects on each domain, corroborating the recent findings in the literature. Using PL and XPS techniques, distinct domains were distinguished and labeled as VW (dark) and VS (bright), identifying regions with W- and S-rich vacancies characterized by low and high PL intensity, respectively. Kelvin probe force microscopy (KPFM) investigations and micro angle-resolved photoemission spectroscopy (µARPES) analyses were employed to unveil the electronic properties (i.e., electronic affinity and band structure) within chemically different domains. A higher surface potential was observed in the VS domain which also exhibited a deeper binding energy compared to the VW domain. Through gate-dependent PL experiments, we identified the quasiparticle composition of the PL spectrum and proposed a model to hypothesize the relaxation mechanism, suggesting that the presence of W vacancies screens the excitons from the influence of an external gate. In the CVD process, defects are inevitably formed, and their nature, concentration, and distribution profoundly affect the optical and electronic properties of the crystal. In the second part of the thesis, we assessed the influence of the precursor on WS2 flakes by varying the ratio between the metal precursor and the promoter in the growth solution. Additionally, we examined the shape evolution of CVD-grown WS2 based on the component ratio in the growth solution. We observed dendritic structures, which are likely a result of the growth conditions. Through Raman and PL measurements, we found that the field transition observed during shape evolution, similar to previous growth instances, did not significantly manifest in the 2D maps. Notably, the PL intensity demonstrated varying intensities across different regions of the flakes, without exhibiting a dramatic decrease. Apart from the dendritic structure, which prompted consideration of stress-strain within the crystal during CVD, we also observed E2g redshift in some flakes. To preserve the intrinsic properties of the WS2 crystals for long-term research, we carefully managed their storage conditions, particularly with regard to exposure to atmospheric conditions and natural light. Upon exposure to daily atmospheric conditions, including humidity, we noted a gradual enlargement of residual promoter particles on and underneath the substrate, resulting in increased surface roughness over time. Additionally, we explored the significant impact of natural light on hexagonally shaped WS2 crystals, especially those exhibiting VW and VS domains. Our findings revealed that VW domains were more sensitive to light compared to VS domains.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    463041

    Lip recognition using opencv

    Opencv kullanılarak dudak tanıma

    BNAR AZAD H.AMEEN H.AMEEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolFırat Üniversitesi

    Yazılım Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ASAF VAROL

  2. Tez No

    667710

    Toplumsal makyaj olarak adalet: Güney Afrika'da Gruplar arası Temas Kuramı bağlamında hakikat, uzlaşma ve geçiş adaleti

    Justice as Social Makeup: Truth, Reconciliation and Transitional Justice in the Context of Intergroup Contact Theory in South Africa

    DAMLA ALTINAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Siyasal BilimlerMuğla Sıtkı Koçman Üniversitesi

    Siyaset Bilimi ve Uluslararası İlişkiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FÜSUN ÖZERDEM

  3. Tez No

    459501

    Muhammed İbni Hasan İbni Aliyyi'l-Hüseyn'in Tabîr-nâme'si üzerinde dil bilgisi çalışması

    Lip synchronization in Tabîr-nâme by Muhammed İbni Hasan İbni Aliyyi'l-Hüseyn

    ÖZLEM ÇELEBİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    DilbilimKarabük Üniversitesi

    Türk Dili ve Edebiyatı Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. NİMET KARA

  4. Tez No

    763833

    Türk dilinde derin öğrenme ile dudak okuma

    Lip reading with deep learning in Turkish language

    HADI POURMOUSA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAtatürk Üniversitesi

    Yönetim Bilişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜSTÜN ÖZEN

  5. Tez No

    568415

    Kaskad nesne algılama ve yapay sinir ağları yöntemleri ile dudak okuma

    Lip reading with cascade object detection and artificial neural networks methods

    MUHAMMED HALICI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Mekatronik MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CAFER BAL

Geri Dön