Príprava a štúdium 2D materiálov – dichalkogenidov prechodných kovov

Pracovníci | Publikácie

 

Dichalogenidy prechodných kovov (Transition Metal Dichalcogenides TMD) sú skupinou materiálov so všeobecným vzorcom MX2, kde M je prechodný kov zo IV. (napr. Ti, Zr, Hf a pod.), V. (napr. V, Nb, Ta) alebo VI. (Mo, W) skupiny periodickej tabuľky  a X je chalkogén (S, Se, or Te). Kryštálová štruktúra TMD materiálov pozostáva zo slabo viazaných  vrstiev X-M-X, v ktorých je vrstva atómov kovu uzavretá medzi dvoma vrstvami X, pričom atómy vo vrstve sú viazané hexagonálne. Susediace vrstvy sú slabo viazané pomocou van der Waalsove interakcií, čo umožňuje prípravu týchto materiálov vo forme jednej alebo niekoľko málo vrstiev. Existuje viac ako 40 kombinácií prechodného kovu a chalkogénu, pričom jednotlivé zlúčeniny sa líšia svojimi vlastnosťami. Napríklad NiTe2 a VSe2 sú polokovy, MoS2, WS2, WSe2, MoSe2, MoTe2, TaS2, RhTe2, PdTe2 sú polovodiče, HfS2 je izolant, NbS2, NbSe2, NbTe2 a TaSe2 sú supravodiče; Bi2Se3, Bi2Te3 môžu byť topologické izolátory a TiSe2 vykazuje CDW (charge density wave) aj supravodivé základné stavy.

 

Obr. 1 Trojrozmerné schematické znázornenie štruktúry MoS/Se2, s atómami chalkogénu (X) v žltej a atómy kovu (Mo) v modrej farbe.

 

Na našom oddelení pripravujeme niektoré vrstvy TMD materiálov pomocou chalkonizácie (sulfurizácie, selenizácie) kovových vrstiev. Táto metóda sa bežne používa na prípravu TMD, my sme však navrhli a v súčasnosti používame jej modifikovaný variant (obr. 2). V konvenčnom procese sa chalkogén pomaly odparuje v chladnejšej zóne dvojzónovej pece a substrát s tenkou kovovou vrstvou sa nachádza v inej zóne s oveľa vyššou teplotou. V našom spôsobe chalkogenizácie postačuje jednozónová pec so vzorkou umiestnenou v strede pece spolu s chalkogénnym práškom. Vzorka a práškový chalkogén majú rovnakú teplotu. Pomocou tohto prístupu sme pripravili ultratenké vrstvy a veľkoplošné vrstvy (do 20 × 20 mm2) niekoľkých materiálov TMD: MoS2, PtSe2, MoSe2, WS2 a PtS2.

Obr. 2 Schématické znázornenie jednozónovej chalkogenizácie.

 

Disulfid molybdénu MoS2 je doposiaľ najviac využívaným materiálom z tejto skupiny. Vďaka svojim charakteristickým vlastnostiam sa využíva v rôznych oblastiach, napríklad ako katalyzátor pri desulfurizácií v petrochemickom priemysle, vo fotovoltaických článkoch, v nanotribológii, v lítiových batériách či ako suchý lubrikant.

Pri príprave MoS2 vieme cielene ovplyvniť orientáciu vrstiev zmenou parametrov žíhania a pripraviť MoS2 s horizontálnou alebo vertikálnou orientáciou. Obr. 2 znázorňuje GIWAXS reciproké priestorové mapy MoS2 vrstiev s rôznou orientáciou. Podarilo sa nám tiež prvýkrát pripraviť tenké vrstvy MoS2 na nanostĺpikoch fosfidu gália a diamantových substrátoch.

Obr. 3 GIWAXS reciproké priestorové mapy MoS2 vrstiev pripravených na zafírovej podložke pripravené z 3 nm hrubých vrstiev Mo pri 800 °C počas 30 minút s rýchlosťou zahrievania (a) 25 °C / min, (b) 5 °C / min a (c) 0,5 °C / min.

Píky pri -1 A-1 pochádzajú z (002) difrakčných rovín.

 

Diselenid platiny (PtSe2) sa ukázal ako sľubný materiál na skúmanie interakcií kvázičastíc a na vývoj fotoelektrických zariadení. Monovrstva a niekoľkovrstvové PtSe2 je polovodič typu p,  avšak hrubšie PtSe2 vykazujú typické polokovové charakteristiky. Vďaka svojim elektrickým vlastnostiam a vynikajúcej stabilite vzduchu má PtSe2 potenciál v mnohých oblastiach, ako sú napríklad fotokatalýza, vývoj vodíka, elektronické a optoelektronické zariadenia.

Nedávno sme pripravili vysokokryštalické PtSe2 vrstvy s epitaxným charakterom, čo znamená, že vrstvy sledujú kryštalografickú orientáciu substrátu (Obr. 4). Vzorky sú dobre vodivé a vykazujú dobré hodnoty mobility nosiča náboja. Tenké vrstvy PtSe2 sme pripravili aj na povrchu supravodivého NbN. Zistili sme, že parametre selenizácie zachovávajú chemickú a štrukturálnu integritu filmov PtSe2 aj NbN. Orientáciu PtSe2 možno ovplyvniť zmenou rýchlosti prietoku dusíka cez reakčnú komoru. Integrácia polovodičov a zosilňovacích prvkov tranzistora so supravodičmi na báze NbN otvára nové možnosti použitia, napríklad ako jednofotónové detektory integrované so zosilňovačmi HEMT pre zabezpečenú kvantovú komunikáciu alebo mikrovlnné zosilňovače HEMT so supravodivými Josephsonovými prechodmi, ktoré poskytujú platformu pre supravodivé qubity.

Obr. 4 φ-sken 101 difrakcie PtSe2 vrstiev pripravených pri 400 a 600 °C na zafírovom substráte.

 

Vybrané publikácie:

Sojková, M., Píš, I., Hrdá, J., Vojteková, T., Pribusová Slušná, L., Vegso, K., Šiffalovič, P., Nádaždy, P., Dobročka, E., Krbal, M., Fons, P.J., Munnik, F., Magnano, E., Hulman, M., and Bondino, F.: Lithium-induced reorientation of few-layer MoS2 films, Chem. Mater. 35 (2023) 6246-6257.

Kočí, M., Izsák, T., Vanko, G., Sojková, M., Hrdá, J., Szabó, O., Husák, M., Végsö, K., Varga, M., and Kromka, A.: Improved gas sensing capabilities of MoS2/diamond heterostructures at room temperature, ACS Applied Mater. Interfaces 15 (2023) 34206-34214.

Varga, M., Sojková, M., Hrdá, J., Parza Saeb, S., Vanko, G., Pribusová-Slušná, L., Ondic, L., Fait, J., Kromka, A., and Hulman, M.: Technological challenges in the fabrication of MoS2/diamond heterostructures. In NANOCON 2022. Proc. 14th Inter. Conf. Nanomater. – Res. & Appl. Ostrava. Tanger Ltd. 2023, pp 21-27. ISBN: 978-80-88365-09-9.

Vegso, K., Shaji, A., Sojková, M., Pribusová Slušná, L., Vojteková, T., Hrdá, J., Halahovets, Y., Hulman, M., Jergel, M., Majková, E., Wiesmann, J., and Šiffalovič, P.: A wide-angle X-ray scattering laboratory setup for tracking phase changes of thin films in a chemical vapor deposition chamber,  Rev. Sci Instrum. 93 (2022) 113909.

Shaji, A., Vegso, K., Sojková, M., Hulman, M., Nádaždy, P., Halahovets, Y., Pribusová Slušná, L., Vojteková, T., Hrdá, J., Jergel, M., Majková, E., Wiesmann, J., and Šiffalovič, P.: Stepwise sulfurization of MoO3 to MoS2 thin films studied by real-time X-ray scattering, Applied Surface Sci 606 (2022) 154772.

Kozak, A., Sojková, M., Gucmann, F., Bodík, M., Vegso, K., Dobročka, E., Píš, I., Bondino, F., Hulman, M., Šiffalovič, P., and Ťapajna, M.: Effect of the crystallographic c-axis orientation on the tribological properties of the few-layer PtSe2, Applied Surface Sci 605 (2022) 154883.

Novák, J., Laurenčíková, A., Eliáš, P., Hasenöhrl, S., Sojková, M., Kováč, J.jr., and Kováč, J.: Investigation of a nanostructured GaP/MoS2 p-n heterojunction photodiode, AIP Adv. 12 (2022) 065004.

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.

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.

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.

Huss-Hansen, M.K., Hodas, M., Mrkývkova, N., Hagara, J., Nádaždy, P., Sojková, M., Høegh, S.O., Vlad, A., Pandit, P., Majková, E., Šiffalovič, P., Schreiber, F., Kjelstrup-Hansen, J., and Knaapila, M.: Early-stage growth observations of orientation-controlled vacuum-deposited naphthyl end-capped oligothiophenes, Phys. Rev. Mater. 5 (2021) 053402.

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.

Rýger, I., Lobotka, P., Steiger, A., Chromik, Š., Lalinský, T., Raida, Z., Pítra, K., Zehetner, J., Španková, M., Gaži, Š., Sojková, M., and Vanko, G.: Uncooled antenna-coupled microbolometer for detection of terahertz radiation, J. Infrared, Millimet., Terahertz Waves 42 (2021) 462–478.

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.

Španková, M., Sojková, M., Dobročka, E., Hutár, P., Bodík, M., Munnik, F., Hulman, M., and Chromik, Š.: Influence of precursor thin-film quality on the structural properties of large-area MoS2 films grown by sulfurization of MoO3 on c-sapphire, Applied Surface Sci 540 (2021) 148240.

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.

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.

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.

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.

Novák, J., Laurenčíková, A., Eliáš, P., Hasenöhrl, S., Sojková, M., Dobročka, E., Kováč, J.jr., Kováč, J., Ďurišová, J., and Pudiš, D.: Nanorods and nanocones for advanced sensor applications, Applied Surface Sci 461 (2018) 61-65.

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.

Chromik, Š., Sojková, M., Vretenár, V., Rosová, A., Dobročka, E., Hulman, M., : Influence of GaN/AlGaN/GaN (0001) and Si (100) substrates on structural properties of extremely thin MoS2 films grown by pulsed laser deposition. Applied Surface Sci 395 (2017) 232-236.

Sojková, M., Chromik, Š., Rosová, A., Dobročka, E., Hutár, P., Machajdík, D., Kobzev, A., Hulman, M., : MoS2 thin films prepared by sulfurization. Proc. SPIE 10354 (2017) 103541K-1.