2D-Halbleiterfilme zeigen eine signifikante Veränderung des leitenden und optischen Verhaltens in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Umgebung, was auf ein großes Potenzial für die nächste Generation von Gassensoren Gassensorik. Während die physikalische Adsorption an unberührten Oberflächen in der Regel nur minimale Auswirkungen auf die Leitfähigkeit hat auf die Leitfähigkeit gezeigt hat, kann diese durch Dotierung mit Edelmetallen an Leerstellen erhöht werden, z. B. durch S- oder Mo-Leerstellen in MoS₂ [1]. Durch Auswahl der Art und Konzentration eines Dotieratoms durch substitutionelle Dotierung kann die Selektivität des 2D-Films eingestellt werden, z. B. verbessert die Au- und Pt-Dotierung von MoS₂ die Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak bzw. Feuchtigkeit [1]. Dies ermöglicht die Entwicklung einer neuen Generation von chemiresistiven, optischen und FET-basierten Sensoren deren Selektivität und Spezifität durch gezielte Dotierung auf atomarer Ebene optimiert wurde.

© Lado Filipovic

Schematische Darstellung eines Prototypen für einen MoS₂-basierten Gassensor [2]

Ziele

Wir werden ab-initio- und Ladungstransportsimulationen von unbehandelten und dotierten 2D-Monoschichten kombinieren, um zu verstehen, wie die Dotierung mit gezielten Metallatomen die Selektivität für Zielgase, hauptsächlich CO, CO₂ und Feuchtigkeit, für die Luftqualitäts- und Atemluftanalyse verbessert. In diesem Dissertationsprojekt werden wir (a) die Wechselwirkung zwischen Gasmolekülen in der Umgebung und 2D-Heterostrukturen mit relevanten Defekten (z. B. S- und Mo-Vakanzen in MoS₂) und Dotierstoffen mit Hilfe von ab-initio-Rechnungen untersuchen. Anschließend werden wir (b) die Veränderung des elektrischen, transporttechnischen und optischen Verhaltens dünner Filme aufgrund von Defekt- und Dotierungswechselwirkungen mit Gasmolekülen modellieren. Ferner werden wir (c) die zeitliche Basisliniendrift in diesen Filmen untersuchen, indem wir die Oberfläche vor und nach der Belichtung mit STEM abbilden. Die beobachteten Veränderungen werden mit Hilfe von ab-initio-Berechnungen theoretisch untersucht. Schließlich wollen wir (d) Back-Gate-FET-Bauelemente untersuchen, deren Kanäle aus unbehandelten, defekten und dotierten MoS₂-Schichten bestehen, und zwar sowohl mit Hilfe von Experimenten als auch von Modellierungsverfahren. Das primäre Ziel ist es, die qualitativen und quantitativen Auswirkungen verschiedener Dotierungen auf das mikroskopische und makroskopische Verhalten von metalldotierten 2D-Filmen (z. B. Au, Cu, Ni, Pt, Ti) für Anwendungen in der selektiven Gassensorik zu verstehen und die Basisliniendrift in diesen neuartigen Bauelementen zu ermitteln.

Methoden

MoS₂-Filme werden von den TU-D-Partnern Holzer und Müller zur Verfügung gestellt, die auf das Vorhandensein von nativen Defekten und Leerstellen untersucht werden. Zusätzliche Defekte werden auf kontrollierte Weise eingebracht und die Filme werden von den Gruppen Wilhelm und Eder dotiert. Erste Prinzipien mit Dichtefunktionaltheorie (DFT) werden angewandt, um günstige Adsorptionskonfigurationen, Adsorptionsenergien und die Auswirkungen auf die Energiebänder zu untersuchen, wenn Moleküle von Interesse mit nahezu reinen, kontrolliert Defekten und selektiv dotierten Monoschichten wechselwirken. Anschließend werden NEGF-Berechnungen (Non-equilibrium Green's function) durchgeführt, um die Auswirkungen von Defekten und Dotierungen auf die Leitfähigkeit in der 2D-Schicht vor und nach der Einwirkung von Umgebungsmolekülen zu untersuchen. Die DFT-Studien der Molekül-Oberflächen-Wechselwirkungen werden durch experimentelle Charakterisierungen der Gruppen Diebold und Kotakoski unterstützt.

Kollaborationen

Holzer und Müller werden exfolierte bzw. CVD-gewachsene MoS₂-Schichten liefern. Wilhelm wird mit Hilfe von Ionenbestrahlung Leerstellen erzeugen, und Eder wird für die kontrollierte Anlagerung von Metall- und Metalloxidclustern an diesen Defektstellen sorgen. Lendl wird räumlich aufgelöste AFM-Raman/IR- und Parkinson atomar aufgelöste STM/TPD/IR-Studien durchführen. Madsen wird DFT-Berechnungen für das Materialsystem vor der molekularen Adsorption bereitstellen. Marchetti-Deschmann wird den Elektronentransport in MoS₂ messen. Foelske (XPS) und Diebold (STM, LEEDS) werden Informationen über die Materialzusammensetzung und die Grenzflächen während der Molekülbindung liefern. Kotakoski wird STEM-Messungen an MoS₂-Filmen durchführen und Weber wird die FET-Bauelemente mit Rückkopplung bauen. 

Betreuer

Die Gruppe von Lado Filipovic erforscht CMOS-integrierte Umweltsensoren auf Halbleiterbasis, die für stromsparende und tragbare Technologien bestimmt sind. Das Hauptziel der Forschung ist die Anwendung von 2D-Filmen in Gassensoren mit niedrigem Stromverbrauch bei Raumtemperatur und deren Integration in die CMOS-Technologie. Seine Gruppe simuliert auch die Auswirkung der molekularen Adsorption auf das leitende und optische Verhalten unberührter, defekter und dotierter 2D-Filme wie TMDs, Phosphoren, Arsen und MXene und arbeitet an der Entwicklung zugehöriger nanoskaliger Geräte.

Website

Gruppe Prof. Filipovic, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Literatur

1. D. Burman, H. Raha, B. Manna, P. Pramanik, and P. K. Guha. Substitutional doping of MoS₂ for superior gas-sensing applications: A proof of concept. ACS Sensors 6, 3398–3408 (2021). DOI: 10.1021/acssensors.1c01258.
2. W. Jiang, K. Chen, J. Wang, D. Geng, N. Lu, and L. Li. Understanding the adsorption behavior of small molecule in MoS₂ device based on first-principles calculations. Materials Research Express 8, 055010 may (2021). DOI: 10.1088/2053-1591/ac021d.
3. S. Fatemeh, M. Moradinasab, U. Schwalke, and L. Filipovic. Superior sensitivity and optical response of blue phosphorene and its doped systems for gas sensing applications. ACS Omega 6, 18770–18781 (2021). DOI: 10.1021/acsomega.1c01898.
4. L. Filipovic and S. Selberherr. Gas sensing with two-dimensional materials beyond graphene. In 2021 IEEE 32nd Int. Conf. Microelectronics, pages 29–36, (2021).DOI: 10.1109/MIEL52794.2021.9569088.