Atomically thin crystals : photodetection and photovoltaics

Abstract

Atomar dünne Kristalle sind neuartige Materialien mit außergewöhnlichen optischen und elektronischen Eigenschaften. Diese sind zu einem großen Teil auf die stark eingeschränkte Bewegungsfreiheit der Ladungsträger aufgrund der geringen Schichtdicken zurückzuführen. Der Fokus dieser Dissertation liegt auf der Erforschung der optoelektronischen Eigenschaften zweidimensionaler Halbleiter sowie daraus hergestellter Heterostrukturen. Übergangsmetall-Dichalkogenide treten häufig in geschichteter Kristallstruktur auf. Die schwachen Van der Waals Bindungskräfte zwischen den einzelnen Ebenen ermöglichen die Synthese von Kristallen mit atomarer Dicke. Werden elektronische oder optoelektronische Bauelemente aus solchen Materialien hergestellt, zeigt sich eine starke Abhängigkeit der Bauteilseigenschaften von den Umgebungsparametern. Diese entsteht durch das extreme Verhältnis von aktivem zu umgebenden Material. Anhand von MoS2-Feldeffekttransistoren konnten wir nachweisen, dass deren Lichtempfindlichkeit maßgeblich durch das Einfangen von Ladungsträgern beeinflusst wird. Dabei gelang es, die zwei dominanten Komponenten zu identifizieren und isolieren. Es wurde nachgewiesen, dass ein Teil des delektierten Signals auf das Einfangen von Ladungsträgern durch bandkantennahe Zustände zurückzuführen ist. Dies hat eine Erhöhung der effektiven Ladungsträgerlebensdauer, und damit einhergehend eine höhere Leitfähigkeit des Kanals, zufolge. Da die Anlagerungsniveaus ihren Ursprung in Gitterfehlern haben, hängt diese Komponente direkt von den Materialeigenschaften des Kanals ab. Im Gegensatz dazu, basiert die zweite Komponente auf dem Einfangen von Ladungsträgern in direkter Umgebung zum Kanal. Die eingefangenen Ladungsträger agieren als lokale Gate-Elektroden und führen zu einer Veränderung der Schwellspannung. Durch einen Austausch der gasförmigen Umgebung des Kanals konnte daher die Lichtempfindlichkeit des Transistors maßgeblich beeinflusst werden. Die experimentellen Ergebnisse konnten anhand eines einfachen Modells vollständig reproduziert werden. Darüber hinaus gelang es, den Grund für die weite Streuung der bisher publizierten Ergebnisse zu erklären. Thermoplastische Polymere können verwendet werden, um einzelne, atomar dünne Kristalle von einem Trägersubstrat aufzunehmen und übereinander zu stapeln. Es gelang uns zu zeigen, dass die so erzeugten Heterostrukturen aus zwei bzw. drei unterschiedlichen halbleitenden Übergangsmetall-Dichalkogeniden verwendet werden können, um optische Energie in elektrische umzuwandeln. Durch die außerordentlich starke Lichtabsorption in atomar dünnen Schichten konnte dies mit nur wenigen Atomlagen dicken Zellen erzielt werden. Die gemessenen Von den gemessenen elektrischen und photovoltaischen Kennlinien konnte der Umwandlungsprozess erklärt werden: Die Typ-II Heterostruktur führt zu einer Dissoziation der optisch generierten Exzitonen. Da sie darüber hinaus als diskriminierende Barriere für den Transport der Löcher und Elektronen fungiert, kommt es zu einer Ladungstrennung und somit zu dem beobachteten Photovoltaischen Effekt. Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei Polymer-basierte Fabrikationsprozesse optimiert und weiterentwickelt. Diese ermöglichten die Herstellung von Heterostrukturen mit sauberen, abrupten Materialübergängen. In Betracht der rapiden Weiterentwicklung von Wachstumsprozessen für atomar dünne Übergangsmetall-Dichalkogenide, suggerieren unsere Ergebnisse, dass Van der Waals Heterostrukturen die Grundlage für eine neue Generation von exzitonischen Solarzellen bilden könnten.

Atomically thin crystals are an emerging class of materials with outstanding optical and electronic properties. Many of these arise from the confinement of charge carriers to a quasi-two-dimensional plane. This thesis focuses on the fundamental optoelectronic characteristics of two-dimensional semiconductors and heterostructures made therefrom. Within the area of solid state physics, single layers of transition metal dichalcogenides have become subject of intensive studies. The extreme ratio of surrounding-to-active material in electronic and optoelectronic devices made from mono- and few-layer transition metal dichalcogenides strongly enhances the impact of the environment on the device properties. We demonstrated, by the example of molybdenum disulfide mono- and bilayer field effect transistors, that the photoresponse observed under non-zero bias strongly depends on the trapping of charge carriers. The two dominating components were successfully identified and separated. The first one is intrinsic and arises from trapping of photogenerated carriers in band tail trap states. This results in an increase of the effective carrier lifetime, and thus in a reduction of the channel resistance. The second, extrinsic one, was found to stem from trapping in the surroundings of the channel. It was shown that the trapped charge carriers act as local gates that are the origin of a transistor threshold voltage shift. Hence, it was possible to modulate the conductance by modifying the gaseous environment of the device. We not only presented a simple model that reproduced our experimental findings, but were also able to elucidate the origin of the strong variation found in previously reported values. Van der Waals bound heterostructures can be easily fabricated by thermoplastic polymer based stacking techniques. By using two and more atomically thin semiconducting layers we could demonstrate that the so formed staggered heterostructures are able to harvest solar energy. Because of the extraordinarily strong absorption of light in atomically thin layers, it was possible to achieve an efficient power conversion with a minimal amount of active material. By carefully analyzing the observed electrical and photovoltaic properties we could explain their origin: the band-structure of the fabricated stacks efficiently dissociates the photogenerated excitons and forms a discriminating barrier for the transport of the so generated electrons and holes. During this work, two fabrication methods that allow the realization of heterostructures with clean, atomically sharp interfaces were optimized. Our findings suggest that, accompanied by the advances in large area fabrication of atomically thin transition metal dichalcogenides, van der Waals heterostructures are promising candidates for a new generation of excitonic solar cells.