Modification of monolayer-thick semiconductors by ultra-low energy ion implantation

by Manuel Auge
Doctoral thesis
Date of Examination:2022-01-27
Date of issue:2022-03-08
Advisor:Prof. Dr. Hans Christian Hofsäss
Referee:Prof. Dr. Hans Christian Hofsäss
Referee:PD Dr. Martin Wenderoth
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9105

 

 

Files in this item

Name:PhD_Thesis_Auge.pdf
Size:18.4Mb
Format:PDF

The following license files are associated with this item:

Abstract

English

In this thesis, ultra-low energy (ULE) ion implantation is used to modify 2D materials such as graphene and transition metal dichalcogenides (TMDs). The existing implantation system is improved in two respects. By developing a sputter ion source, the list of implantable elements is expanded to include elements with high melting point and low vapour pressure. Further, the implantation stage and sample holder is extended to enable a lateral controlled ULE ion implantation using deposited electrodes on the sample or bronze plates. Based on the incorporation of noble gases into CVD grown graphene, the influence of implantation energy and fluence on the introduced defects in the host lattice is investigated. Moreover, graphene is irradiated with Mn as a model case of a magnetic dopant. It is shown that the implantation method for graphene is applicable to TMDs as well, by incorporating Se into MoS2. By establishing Se irradiation at elevated temperatures, a reproducible process for TMD modification is developed. The investigation of Cr implanted MoS2 demonstrates that substitutional exchange in the transition metal sublattice is possible.
Keywords: 2D semiconductors; Graphene; TMDs; Ultra-low energy ion implantation; Ion optics simulation; Electrostatic masking

German

Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der ultra Niederenergie (ULE) Ionenimplantation zur Modifikation von 2D Materialien wie Graphen und Übergangsmetalldichalcogeniden (TMDs). Das bestehende Implantationssystem wird auf zwei Ebenen modifiziert. Durch die Entwicklung einer Sputter Ionenquelle lassen sich die zur Verfügung stehenden Elemente zur Implantation durch Elemente mit hohem Schmelzpunkt und niedrigem Gasdruck erweitern. Des Weiteren wird die Implantationskammer zusammen mit dem Probenhalter überarbeitet, sodass deponierte Elektroden auf der Probenoberfläche oder einfache Bronzeplättchen zur lateral kontrollierten ULE Ionenimplantation verwendet werden können. Anhand des Einbaus von Edelgasen in CVD gewachsenes Graphen wird der Einfluss der Implantationsenergie sowie Fluenz auf die induzierten Defekte in das Graphengitter untersucht. Außerdem wird Graphen mit Mn als Modellfall eines magnetischen Dotanden bestrahlt. Der Übertrag der Implantationsmethode von Graphen auf TMDs wird durch den Einbau von Se in MoS2 durchgeführt. Durch das Etablieren der Se Bestrahlung bei erhöhten Temperaturen wird ein reproduzierbarer Prozess zur TMD Modifkation entwickelt. Die Analyse von Cr implantierten MoS2 zeigt die Möglichkeit eines substitutionellen Austauschs im Übergangsmetalluntergitter.
 
Statistik