Atomic Layer Deposition of Two-Dimensional Metal Dichalcogenides

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5889-5
Title: Atomic Layer Deposition of Two-Dimensional Metal Dichalcogenides
Author: Mattinen, Miika
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Chemistry
Doctoral Programme in Materials Research and Nanoscience
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-04-03
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5889-5
http://hdl.handle.net/10138/313094
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Two-dimensional (2D) materials rank among the most scientifically exciting materials of the early 21st century. Transition metal dichalcogenides (TMDCs) have emerged into the spotlight due to the semiconducting nature of many TMDCs, which is in contrast to the most actively studied 2D material, semimetallic graphene. Research on the basic properties of TMDCs has been very active and fruitful, resulting in unveiling of many new phenomena and properties. Furthermore, there is a strong drive to realize the technological potential of TMDCs. For use in practical applications, TMDCs need to be synthesized as uniform films of controlled thickness on large and complex substrates. In order to realize cost-effective industrial production, the synthesis needs to be done at low temperatures using methods that are highly controllable, scalable, and repeatable. Atomic layer deposition (ALD) is an advanced gas-phase thin film deposition technique capable of fulfilling the requirements of many demanding applications. ALD has already proven its industrial applicability in fields ranging from electroluminescent displays to microelectronics, photovoltaics, and corrosion protection. To realize the potential of ALD in the deposition of TMDCs, suitable ALD precursors possessing adequate reactivity, volatility, and thermal stability have to be identified and evaluated. In this thesis, 29 precursor candidates were tested for seven metals. Successful ALD processes were developed for five 2D sulfides: MoS2, SnS2, WS2, HfS2, and ZrS2. In addition, ALD processes were developed for oxides of molybdenum and tungsten. The oxides may be converted into the respective 2D sulfides. Furthermore, α MoO3 is a 2D material by itself. The sulfide processes varied in terms of their growth behavior and morphology of the films. All of the films crystallized in 2D structures. In the case of SnS2 and WS2, crystallization required mild post-deposition annealing, which preserves the smooth morphology of the as-deposited amorphous films and gives an additional degree of freedom in processing. Particular attention was paid to the role of the substrate in the growth of TMDCs in tuning the film growth, morphology, and crystallinity. HfS2, MoS2, SnS2, and ZrS2 films were observed to grow in a van der Waals epitaxial manner on mica, which is a promising approach to achieve high film quality under mild conditions. Once the deposition processes are developed, the produced films should be evaluated for the target applications. A major challenge is to improve the performance of large-area TMDC films grown under application-relevant conditions up to the level of TMDC flakes that have been manually exfoliated from bulk crystals. The possible applications of ALD TMDCs are comprehensively reviewed in the literature part of the thesis. In the experimental part, results on photodetector (HfS2, SnS2, and ZrS2), field-effect transistor (SnS2), and hydrogen gas sensor (MoOx) devices are shown. It is anticipated that the processes developed in this thesis can be used also for other applications. For example, the rough MoS2 and disordered WS2 films should be promising for energy storage and conversion applications.Materiaaleilla on merkittävä rooli arkielämämme eri osa-alueilla liikenteestä kommunikaatioon. Eräitä tällä hetkellä eniten tutkituista materiaaleista ovat kaksiulotteiset (2D) materiaalit. Toisin kuin tavalliset kolmiulotteiset (3D) materiaalit, jotka muodostavat atomitasolla joka suuntaan leviävän verkkomaisen rakenteen, kaksiulotteiset materiaalit muodostuvat äärimmäisen ohuista, vain yhden tai muutaman atomin paksuisista kerroksista. Viimeisen viidentoista vuoden aikana on huomattu, että kerroksittainen rakenne antaa 2D-materiaaleille hyvin esimerkiksi elektroniikkaan, energian tuotantoon ja varastointiin, ja biolääketieteeseen soveltuvat ominaisuudet. Tässä työssä tutkittiin siirtymämetallidikalkogenidien (TMDC) valmistamista ohutkalvoina. TMDC:t ovat eräitä eniten tutkituista 2D-materiaaleista. Huomionarvoista on useiden TMDC:eiden puolijohtava luonne, joka mahdollistaa niiden käytön monissa elektroniikan sovelluksissa. TMDC-materiaalit ovatkin lupaavia kandidaatteja esimerkiksi seuraavien sukupolvien tietokoneisiin, kännyköihin, ja uudenlaiseen joustavaan elektroniikkaan. Eräs 2D-materiaalien suurimmista haasteista on niiden valmistaminen tarkasti säädetyn paksuisina, jatkuvina ja tasalaatuisina ohutkalvoina erimuotoisille ja -kokoisille pinnoille. Tähän haasteeseen pyrittiin vastaamaan käyttämällä kalvojen kasvattamiseen atomikerroskasvatusmenetelmää (ALD), joka perustuu tarkoin hallittuihin kaasumaisten lähtöaineiden reaktioihin kiinteällä pinnalla. Erinomaisen tarkkuutensa ja skaalattavuutensa ansiosta ALD on jo käytössä eri teollisuuden aloilla erilaisten ohutkalvojen ja pinnoitteiden valmistuksessa. Tämän työn ensi vaiheissa kokeiltiin erilaisia ALD-lähdeaineita, joista lupaavimmista kehitettiin ALD-prosessit MoS2, SnS2, WS2, HfS2, ja ZrS2 TMDC-materiaalien sekä oksidien MoOx and WOx valmistukseen. Materiaalien kemiallisten ja fysikaalisten ominaisuuksien karakterisoinnin jälkeen lupaavimpia materiaaleja tutkittiin valituissa sovelluksissa: valoilmaisimissa (HfS2, SnS2 ja ZrS2), transistoreissa (SnS2) ja vetykaasuilmaisimissa (MoOx). Tulevaisuudessa tutkittujen materiaalien käyttö esimerkiksi energiasovelluksissa olisi kiinnostavaa – tähän voisivat soveltua hyvin esimerkiksi karkeat MoS2-kalvot ja epäjärjestyneet WS2-kalvot.
Subject: epäorgaaninen kemia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
AtomicLa.pdf 14.30Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record