Inhaltszusammenfassung:
In dieser Dissertation werden die vielseitigen Möglichkeiten zur gezielten Modifizierung der elektronischen Eigenschaften von Molybdändichalcogeniden (MoS2, MoSe2) durch die Variation der Anzahl ihrer Lagen, das Einführen von Defekten und die Bildung von Heterostrukturen mit Elektrodenmaterialien wie Gold, Kupfer oder Titan und den Übergangsmetallphthalocyaninen Cobalt(II)-phthalocyanin (CoPc) und Cobalt(II)-hexadecafluorphthalocyanin (CoPcF16) untersucht. Das Ziel dieser Arbeit ist ein besseres Verständnis dieser Heterostrukturen und ihrer Optimierung für den Einsatz in Halbleiter-Bauteilen für optoelektronische Anwendungen, beispielsweise als Photodetektoren oder Feldeffekttranistoren.
Zur Untersuchung der elektronischen Eigenschaften dieser neuen Heterostrukturen dient eine Kombination aus ausgewählten Formen der (Röntgen- und Ultraviolett-) Photoelektronenspektroskopie (PES) und Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS). Durch winkelaufgelöste PES (ARPES) kann die Bandstruktur an der Grenzfläche der Halbleitermaterialien visualisiert werden. Mittels Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) können auch kleine Strukturen, wie die untersuchten MoS2-Monolagen, in Mikrometerskala aufgelöst werden.
In der ersten Publikation, welche diese kumulative Dissertation beinhaltet, wird untersucht, welche Auswirkungen das Verdampfen der Elektrodenmaterialien Au, Cu und Ti und das anschließende Ausheizen dieser gebildeten Heterostrukturen auf die elektronischen Eigenschaften des verwendeten Molybdändisulfids haben. Während Titan die Oberfläche stark verzerrt, sorgen die edleren Metalle Au und Cu für eine n-Dotierung der MoS2-Oberfläche, welche auch nach dem Ausheizen auf 250 °C bestehen bleibt. Jedoch wird beobachtet, dass Kupferatome unter die Oberfläche migrieren, während Goldatome teilweise an der Oberfläche verbleiben, was über die Wechselwirkung zum Cobalt-Atom des CoPcF16 nachgewiesen werden konnte.
Die zweite Publikation widmet sich den Eigenschaften der Grenzflächen zwischen MoS2 und CoPc bzw. CoPcF16 in Abhängigkeit der Anzahl der MoS2-Lagen der untersuchten Mikrostrukturen. Für eine Struktur mit einer großen Anzahl an Lagen, auch bulk genannt, wird eine flachliegende Geometrie der organischen Moleküle auf dem MoS2 erkannt. Wird die Zahl der MoS2-Schichten hin zu Monolagen verringert, zeigt sich hingegen eine verkippte Geometrie der Cobalt-phthalocyanine auf dem anorganischen Halbleiter. Diese Erkenntnis ist entscheidend beim Design von Heterostrukturen, da die Orientierung der Phthalocyanine maßgeblich festlegt ob und wie die Systeme miteinander interagieren können.
Eine detaillierte Untersuchung zu den Möglichkeiten der defektkontrollierten Dotierung von MoS2 durch Bombardierung mit Argon- und Neon-Ionen und den Möglichkeiten einer Heilung der entstandenen Defekte durch CoPcF16 wird in der dritten Publikation beschrieben. Es zeigt sich, dass durch den Beschuss mit Argon-Ionen unterschiedlicher Dosis immer eine p-dotierte Oberfläche erzeugt wird, während der Beschuss mit Ne-Ionen zu einer n-Dotierung in der obersten Schicht führt. Die elektronischen Eigenschaften dieser Oberfläche können trotz des hohen Grades der Defekte durch die Bildung einer Grenzfläche mit CoPcF16 weiter verändert werden.
Nachdem bereits vielseitige Erfahrungen bezüglich den Heterostrukturen des MoS2 gemacht wurden, fokussieren sich die weiteren Ergebnisse dieser Arbeit auf die Grenzfläche zwischen MoSe2 und CoPc(F16). Während keine starken Wechselwirkungen zwischen MoSe2 und CoPc erkennbar sind, zeigt sich eine Ausbildung von Grenzflächenzuständen unter Ladungstransfer zum Cobalt-Atom des CoPcF16 für die MoSe2/CoPcF16-Grenzfläche. Dies ist besonders stark ausgeprägt, bei n-dotiertem MoSe2 zu beobachten.
Somit zeigt diese Arbeit, eine Vielzahl von Möglichkeiten auf, wie die elektronischen Eigenschaften von Übergangsmetalldichalcogeniden, angepasst werden können um sie für spätere Anwendungen als Halbleiter-Bauteile zu optimieren.
Abstract:
In this thesis, the various possibilities to modify and specifically tune the electronic properties of molybdenum dichalcogenides (MoS2, MoSe2) by varying the number of its layers, the introduction of surface defects and the formation of heterostructures with electrode materials like gold, copper or titanium and the transition metal phthalocyanines cobalt(II) phthalocyanine and cobalt(II) hexadecafluorophthalocyanine are examined. The object of this work is a more profound understanding of these heterostructures and their optimization to utilize them as semiconducting devices for optoelectronic applications such as photodetectors or field-effect transistors.
To investigate the electronic properties of these novel heterostructures a combination of selected types of (X-ray and ultraviolet) photoemission spectroscopy (PES) and X-ray absorption spectroscopy (XAS) are used. By angle-resolved PES (ARPES) the band structure at the interface of the semiconductors can be mapped, via photoemission electron spectroscopy (PEEM) very small flakes on a micrometer scale, like the investigated MoS2 monolayers, can be resolved.
In the first publication of this cumulative thesis, the effects of depositing the electrode materials Au, Cu and Ti and their subsequent annealing on MoS2 are discussed. While titanium leads to a strong distortion of the surface, the more noble metals Au and Cu lead to n-type doping of the MoS2 surface which prevails even after annealing to 250 °C. However, a migration of copper atoms below the surface is observed while gold atoms partially remain on the surface which was verified by the charge transfer towards the Co atom of the CoPcF16 molecule.
The second publication is dedicated to the properties of the interfaces between MoS2 and CoPc or CoPcF16 depending on the number of MoS2 layers of the investigated structures. For the bulk structure a flat-lying geometry of the organic molecules on the MoS2 plane is observed. If the number of MoS2 layers is decreased down to single layers, a slightly tilted geometry of the cobalt phthalocyanines on the inorganic semiconductor was found. This discovery is crucial for the design of heterostructures since the orientation of the phthalocyanines is a deciding factor for possible interactions between the two systems.
A detailed examination on the opportunities of defect-controlled doping of MoS2 by Ar- and Ne-ion bombardment and the possibilities of healing of the formed defects by CoPcF16 is discussed in the third publication. The results show that after sputtering with different doses of argon ions, always a p-type doped surface is formed while sputtering with neon ions leads to an n-type doping in the top layer. Despite the high degree of defects, the electronic properties of these surfaces can be tuned by the interface formation with CoPcF16.
After achieving broad experiences on the heterostructures of MoS2, further results focus on the interface between MoSe2 and CoPc(F16). While no strong interactions between MoSe2 and CoPc were observed, the emergence of interface states under charge transfer towards the cobalt atom of CoPcF16 was found for the MoSe2/CoPcF16 interface. This is most prominent for n-doped MoSe2.
Thus, this work shows a variety of possibilities on how to tune the electronic properties of transition metal dichalcogenides to optimize them for later applications in semiconducting devices.
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