2D materiály – dichalkogenidy prechodových kovov

Pracovníci | Publikácie | Späť

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 q_z ≈ 1 Å^-1 (vľavo) a pre q_xy ≈ ±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:

Hrdá, J., Tašková, V., Vojteková, T., Pribusová Slušná, L., Dobročka, E., Píš, I., Bondino, F., Hulman, M., and Sojková, M.: Tuning the charge carrier mobility in few-layer PtSe₂ films by Se: Pt ratio, RSC Adv. 11 (2021) 27292. (APVV 17-0352, 17-0560, 19-0365, VEGA 2/0059/21, CEMEA ITMS 313021T081)

Hrdá, J., Tašková, V., Vojteková, T., Pribusová Slušná, L., Dobročka, E., Píš, I.. Bondino, F., Hulman, M., and Sojková, M.: Selenium content influences the charge carrier mobility in few-layer PtSe₂ films. In Proc. 9^th Inter. Conf. on Advances in Electron. Photon. Technol. – ADEPT. Žilina: EDIS 2021. ISBN 978-80-554-1735-6. P. 103-106.

Hulman, M.: Raman spectroscopy of graphene. In Graphene: properties, preparation, characterization, and applications. Elsevier 2021, p. 381-412. ISBN 978-0-08-102848-3.

Pribusová Slušná, L., Vojteková, T.,  Hrdá, J., Pálková, H., Šiffalovič, P., Sojková, M., Vegso, K., Hutár, P., Dobročka, E., Varga, M., and Hulman, M.: Optical characterisation of few-layer PtSe₂ nanosheet films, ACS Omega 6 (2021) 35398-35403. (APVV 15-0693, 19-0365, 20-0111, VEGA 2/0059/21, MoRePro 19MRP0010)

Sojková, M., Hrdá, J., Volkov, S., Vegso, K., Shaji, A., Vojteková, T., Pribusová Slušná, L., Gál, N., Dobročka, E., Šiffalovič, P., Roch, T., Gregor, M., and Hulman, M.: Growth of PtSe₂ few-layer films on NbN superconducting substrate, Applied Phys. Lett. 119 (2021) 013101. ( APVV 15-0693, 17-0352, 297, 17-0560, 19-0365, VEGA 2/0149/17, 2/0059/21, CEMEA ERDF ITMS 313021T081)

Bodík, M., Sojková, M., Hulman, M., Ťapajna, M., Truchlý, M., Vegso, K., Jergel, M., Majková, E., Španková, M., and Šiffalovič, P.: Friction control by engineering the crystallographic orientation of the lubricating few-layer MoS2 films, Applied Surface Sci 540 (2021) 148328. (APVV-15-0693, 17-0352, 17-0560, SK-CN-RD-18-0006, 14-0745, VEGA 2/0149/17, 2/0092/18)

Sojková, M., Dobročka, E., Hutár, P., Tašková, V., Pribusová Slušná, L., Stoklas, R., Píš, I., Bondino, F., Munnik, F., and Hulman, M.: High carrier mobility epitaxially aligned PtSe₂ films grown by one-zone selenization, Applied Surface Sci 538 (2021) 147936.

Hotový, I., Spiess, L., Mikolášek, M., Kostič, I., Sojková, M., Romanus, H., Hulman, M., Buc, D., and Řeháček, V.: Layered WS₂ thin films prepared by sulfurization of sputtered W films, Applied Surface Sci 544 (2021) 148719. (VEGA 1/0529/20, APVV-16-0266, 17-0169)

Shaji, A., Vegso, K., Sojková, M., Hulman, M., Nádaždy, P., Hutár, P., Pribusová Slušná, L., Hrdá, J., Bodik, M., Hodas, M., Bernstorff, S., Jergel, M., Majková, E., Schreiber, F., and Šiffalovič, P.: Orientation of few-layer MoS₂ films: in-situ x-ray scattering study during sulfurization, J. Phys. Chem. C 125 (2021) 9461–9468.

Mrkývkova, N., Cernescu, A., Futera, Z., Nebojsa, A., Dubroka, A., Sojková, M., Hulman, M., Majková, E., Jergel, M., Šiffalovič, P., and Schreiber, F.: Nanoimaging of orientational defects in semiconducting organic films, J. Phys. Chem. C 125 (2021) 9229–9235.

Sojková, M., Hrdá, J., Volkov, S., Végso, K., Shaji, A., Vojteková, T., Pribusová Slušná, L., Gál, N.,  Dobročka, E., Šiffalovič, P., Roch, T., Gregor, M., and Hulman, M.: PtSe₂ few-layer films grown on NbN superconducting substrate. In Proc. 9^th Inter. Conf. on Advances in Electron. Photon. Technol. – ADEPT. Žilina: EDIS 2021. ISBN 978-80-554-1735-6. P. 9-12.

Hutár, P., Sojková, M., Kundrata, I., Vegso, K., Shaji, A., Nádaždy, P., Pribusová Slušná, L., Majková, E., Siffalovic, P., and Hulman, M.: Correlation between the crystalline phase of molybdenum oxide and horizontal alignment in thin MoS₂ films, J. Phys. Chem. C 124 (2020) 19362–19367. (APVV-15-0693, 17-0352, 17-0560, 19-0365, VEGA 2/0149/17, ITMS project code 313021T081)

Hagara, J., Mrkývkova, N., Nádaždy, P., Hodas, M., Bodík, M., Jergel, M., Majková, E., Tokár, K., Hutár, P., Sojková, M., Chumakov, A., Konovalov, O., Pandit, P., Roth, S., Hinderhofer, A., Hulman, M., Šiffalovič, P., and Schreiber, F.: Reorientation of π-conjugated molecules on few-layer MoS₂ films, Phys. Chem. Chem. Phys. 22 (2020) 3097-3104. (APVV 17-0352, 16-0319, 15-0641, 15-0693, 14-0745, SK-CN-RD-18-0006; VEGA 2/0092/18, 2/0149/17; ITMS 26230120002, 26210120002, 313021T081; DAAD/SAV)

Hagara, J., Mrkývkova, N., Feriancová, L., Putala, M., Nádaždy, P., Hodas, M., Shaji, A., Nádaždy, V., Huss-Hansen, M.K., Knaapila, M., Hagenlocher, J., Russegger, N., Zwadlo, M., Merten, L., Sojková, M., Hulman, M., Vlad, A., Pandit, P., Roth, S., Jergel, M., Majková, E., Hinderhofer, A., Šiffalovič, P., and Schreiber, F.: Novel highly substituted thiophene-based n-type organic semiconductor: structural study, optical anisotropy and molecular control, CrystEngComm 22 (2020) 7095-7103. (APVV-19-0365, 18-0480, 17-0352, 17-0560, 17-0501, 16-0319, 15-0641, 15-0693, 14-0745, SK-CNRD-18-0006, VEGA 2/0092/18, 2/0149/17, 1/0595/17, ITMS 26210120023, 26230120002, 26210120002, 26220220170, 313021T081, DAAD/SAV grant)

Mrkývkova, N., Nádaždy, P., Hodas, M., Chai, J., Wang, S., Chi, D., Sojková, M., Hulman, M., Chumakov, A., Konovalov, O.V., Hinderhofer, A., Jergel, M., Majková, E., Šiffalovič, P., and Schreiber, F.: Simultaneous monitoring of molecular thin film morphology and crystal structure by x-ray scattering, Cryst. Growth Des. 20 (2020)  5269–5276.

Sojková, M., Dobročka, E., Hutár, P., Tašková, V., Pribusová Slušná, L., Stoklas, R., Píš, I., Bondino, F., Hulman, M., and Gregušová, D.: Epitaxially aligned PtSe₂ films grown by one-zone selenization. In Proc. 8th Inter. Conf. on Advances in Electron. Photon. Technol. – ADEPT. Žilina: EDIS 2020. ISBN 978-80-554-1735-6. P. 6-9.

Brndiarová, J., Šiffalovič, P., Hulman, M., Kalosi, A., Bodik, M., Skákalová, V., Micusik, M., Markovič, Z., Majková, E., and Fröhlich, K.:  Functionalized graphene transistor for ultrasensitive detection of carbon quantum dots, J. Applied Phys. 126 (2019) 214303. (APVV 15-0641, 15-0693, VEGA 2/0136/18)

Hutár, P., Španková, M., Sojková, M., Dobročka, E., Végso, K., Hagara, J., Halahovets, Y., Majková, E., Šiffalovič, P., and Hulman, M.: Highly crystalline MoS₂ thin films fabricated by sulfurization, Phys. Status Solidi B 256 (2019) 1900342. (APVV 15-0693, 17-0352, 17-0560, VEGA 2/0149/17)

Sojková, M., Végso, K., Mrkývkova, N., Hagara, J., Hutár, P., Rosová, A., Čaplovičová, M., Ludacka, U., Skákalová, V., Majková, E., Šiffalovič, P., and Hulman, M.: Tuning the orientation of few-layer MoS₂ films using one-zone sulfurization, RSC Adv. 9 (2019) 29645-29651. (APVV 15-0693, 15-0641, 16-0319, 17-0352, 17-0560 VEGA 2/0149/17)

Sojková, M., Šiffalovič, P., Babchenko, O., Vanko, G., Dobročka, E., Hagara, J., Mrkývková, N., Majková, E.,  Ižák, T., Kromka, A., and Hulman, M.: Carbide-free one-zone sulfurization method grows thin MoS₂ layers on polycrystalline CVD diamond, Sci Rep. 9 (2019) 2001. (APVV 15-0693, 15-0641, 16-0319, 17-0352, VEGA 2/0149/17, P108/12/G108, SASPRO 0068/01/01)

Sojková, M., Šiffalovič, P., Babchenko, O., Vanko, G., Dobročka, E., Hagara, J., Mrkývková, N., Majková, E., Ižák, T., Kromka, A., and Hulman, M.: Carbide-free one-zone sulfurization method grown thin MOS2 layers on polycrystalline CVD diamond. In Proc. ADEPT. 7th Inter. Conf. on Advances in Electron. Photon. Technol. Žilina: Univ. Žilina 2019. ISBN 978-80-554-1568-0. P. 281-284. (APVV 15-0693, 17-0352, VEGA 2/0149/17)

Hulman, M., Sojková, M., Végso, K., Mrkývkova, N., Hagara, J., Hutár, P., Kotrusz, P., Hudec, J., Tokar, K., Majková, E., and Šiffalovič, P.: Polarized Raman reveals alignment of few-layer MoS₂ films, J. Phys. Chem. C 123 (2019) 29468-29475. (APVV 17-0352, 17-0560)

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., Hulman, M., 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).