2D materiály – dichalkogenidy prechodových kovov

PracovníciPublikácieSpäť

Dvojrozmerné (2D) materiály sú v súčasnosti jednou z najviac študovaných materiálových skupín v rámci fyziky tuhých látok. Dvojdimenzionalita ich štruktúry je príčinou niektorých nezvyčajných fyzikálnych vlastností. Najznámejším 2D materiálom je asi grafén – jediná vrstva uhlíkových atómov usporiadaných do dvojrozmernej šesťuholníkovej mriežky. Medzi neobyčajné vlastnosti grafénu patrí napríklad jeho výborná elektronická a tepelná vodivosť a tiež jeho mechanické vlastnosti. Avšak čistý grafén nie je vhodný materiál na realizáciu logických obvodov, pretože jeho elektronická štruktúra neobsahuje zakázaný pás.

Objav grafénu v roku 2004 inicioval tiež veľký záujem o  výskum iných 2D materiálov, pričom dichalkogenidy prechodových kovov (TMDC) predstavujú skupinu, ktorej sa v súčasnosti venuje značná pozornosť. Ich charakteristickou črtou je, že objemové kryštály majú vrstevnatú štruktúru. Takéto kryštalické štruktúry si môžeme predstaviť ako, monoatomárne vrstvy, v rámci ktorých sú atómy kovalentne alebo iónovo viazané s ich susedmi, ale vrstvy sú v smere kolmom na rovinu vrstvy navzájom viazané len relatívne slabými silami. V závislosti od kombinácie chalkogénov (typicky S, Se alebo Te) a prechodových kovov (Mo, W, Nb, Re, Ni, V a Ti) má skupina TDM materiálov viac ako 40 rozličných členov. Elektronické vlastnosti TMDC materiálov pokrývajú celú škálu od izolátorov cez polovodiče až po kovy. Navyše niektoré z nich vykazujú „exotické“ stavy ako sú napr. supravodivosť, vlny nábojovej hustoty (CDW), alebo stav topologického izolátora.

V oddelení sa venujeme rastu tenkých vrstiev niektorých TMDC materiálov ako napr. MoS2, WS2 MoSe2 a PtSe2. Cieľom je pochopiť súvis medzi podmienkami syntézy a výslednými fyzikálnymi a štruktúrnymi vlastnosťami tenkých vrstiev. Na dosiahnutie tohto cieľa požívame rôzne analytické techniky ako napr. Ramanovská spektroskopia, röntgenová difrakcia, difrakcia pod malým uhlom dopadu (GIWAXS), rôzne zobrazovacie a skenovacie techniky (SEM, TEM, AFM), optická spektroskopia a elipsometria.

Obr.1. GIWAXS záznam vzorky pripravenej sulfurizáciou Mo filmu hrubého 1 nm (vľavo ) a 3 nm (vpravo). Difrakčné maximá zodpovedajúce 002 difrakcii MoS2 je vidno pre qz ≈ 1 Å-1 (vľavo) a pre qxy ≈ ±1 Å-1 (vpravo). Roviny MoS2 sú rovnobežná s podložkou pre vzorku vľavo, resp. kolmé  na podložku pre vzorku vpravo.

Obr.2. Snímka z vysokorozlišovacieho transmisného elektrónového mikroskopu tenkej vrstvy MoS2 s atomárnymi rovinami orientovanými kolmo na podložku. Svetlé prúžky sú atomárne roviny MoS2.

 

Obr.3. SEM obrazy vrstvy MoS2 narastenej na mikrokryštalickom diamantovom substráte. V pravom obrázku sú na okraji diamantového zrna viditeľné jednotlivé vločky MoS2.

 


Ostatné publikácie:

Hotový, I., Spiess, L., Sojková, M., Kostič, I., Mikolášek, M., Predanocy, M., Romanus, H., Hulman, M., and Řeháček, V.: Structural and optical properties of WS2 prepared using sulfurization of different thick sputtered tungsten films, Applied Surface Sci 461 (2018) 133-138.

Skákalová, V., Kotrusz, P., Jergel, M., Susi, T., Mittelberger, A., Vretenár, V., Šiffalovič, P., Kotakoski, J., Meyer, J.C., and Hulman, M.: Chemical oxidation of graphite: evolution of the structure and properties, J. Phys. Chem. C 122 (2018) 929−935.

Janke, D., HulmanM., Wenisch, R., Gemming, S., Rafaja, D., and Krause, M.: Influence of nickel catalyst morphology on layer-exchange-based carbon crystallisation of Ni/a-C bilayers, Phys. Status Solidi B 254 (2017) 1700234.

Susi, T., Skákalová, V., Mittelberger, A., Kotrusz, P., Hulman, M., Pennycook, T., Mangler, C., Kotakoski, J., Meyer, J., : Computational insights and the observation of SiC nanograin assembly: towards 2D silicon carbide. Sci Reports 7 (2017) 4399. (Not IEE SAS).