کتابخانه مرکزی
پایان نامه های سال 99: ساخت و بررسي خواص اپتيكی مواد دوبعدي لایه ای ناهمسانگرد
ساخت و بررسي خواص اپتيكی مواد دو بعدي لایه ­ای ناهمسانگرد​

0.  

چکیده 


فناوری فوتونیک مجتمع می‌تواند به محاسبات و ارتباطات سریع‌تر و با بهره بیشتر منجر شود. لایه‌های اتمی ( باضخامت اتمی) مواد دوبعدی لایه­ای (واندروالسی) با تقارن کاهش‌یافته که به ناهمسانگردی در خواص الکترونیکی و اپتیکی منجر می‌شود، به‌واسطه جذب قوی و تابش بهینه نور می‌تواند آینده درخشانی برای فوتونیک نانومقیاس ترسیم کنند. در حال حاضر باوجود پیشرفت‌های فراوان، به دلیل خلأ موجود در معرفی نیم‌رساناهای پایدار دوبعدی باقابلیت تابش در ناحیه فروسرخ، کاربرد مواد دوبعدی در فوتونیک مجتمع محدودشده است. در این رساله خواص اپتیکی دو نیم‌رسانای دوبعدی لایه­ای ناهمسانگرد باقابلیت تابش فروسرخ یعنی فسفر سیاه و تایتانیوم تری سولفید توسط روش‌های طیف‌سنجی بازتابی/عبوری و طیف‌سنجی نور درخش وابسته به توان برانگیختگی، قطبش، زمان و دما موردبررسی قرار می‌گیرند. لایه‌های اتمی فسفر سیاه با کاف انرژی وابسته به تعداد لایه‌ها، قابلیت تابش در محدوده وسیعی از طیف مرئی تا فروسرخ میانی را دارند. به‌هرحال ناپایداری و تخریب سریع لایه‌های اتمی فسفر سیاه تحت شرایط محیط خواص اپتیکی و اپتوالکترونیکی آن‌ها را به‌شدت تحت تأثیر قرار می‌دهد. از طرفی تایتانیوم تری سولفید یکی از اعضاء خانواده فلزات واسطه سه کالکوژنی؛ گروهی کمتر شناخته‌شده در خانواده مواد دوبعدی است که به‌واسطه کاف انرژی مستقیم حدود eV 1 و مستقل از ضخامت بسیار موردعلاقه است. نزدیکی کاف انرژی این ماده به کاف انرژی سیلیکون، جذابیت‌های این ماده را برای کاربرد در فوتونیک مجتمع افزایش می‌دهد. در بخش نخست رساله، نشان می‌دهیم با استفاده از روش لایه‌برداری مکانیکی بهبودیافته می‌توان به لایه‌های اتمی فسفر سیاه و نانو لایه‌های تایتانیوم تری سولفید با ابعاد و کیفیت قابل‌قبول دست پیدا کرد. در ادامه این لایه‌های دوبعدی توسط میکروسکوپ نیروی اتمی، طیف‌سنجی رامان و نور درخش مورد ارزیابی قرار می‌گیرند. به‌ویژه مهندسی دیفکت و تابش مادون‌قرمز تنظیم‌پذیر در لایه‌های اتمی فسفر سیاه توسط پردازش آن‌ها با لیزر در محیط هوا نشان داده می‌شود. با توجه به اینکه، لایه‌های اتمی فسفر سیاه بسته به تعداد لایه تابش مشخصی دارند، توسعه روش‌هایی برای دستیابی به طیفی از تابش با انرژی‌های میانی، می‌تواند بسیار مفید باشد. باهدف محافظت لایه‌های اتمی فسفر سیاه در برابر تخریب محیطی، با بهره از روش‌های لایه نشانی لایه‌های اتمی بهبودیافته با پلاسما (PEALD) و لایه نشانی بخار شیمیایی بهبودیافته با پلاسما (PECVD) لایه‌های اتمی فسفر سیاه کپسوله شده با قابلیت تابش پایدار فروسرخ با موفقیت ساخته‌شده و موردبررسی قرار گرفتند. علاوه بر تلاش‌ها برای محافظت از فسفر سیاه در برابر اکسایش و تخریب، تشکیل دیفکت‌هایی با تابش پایدار به‌واسطه کاربرد وسیعشان نیازمند توجه ویژه است. به‌طور خاص با استفاده از روش PECVD نشان می‌دهیم امکان تشکیل ساختارهای دیفکتی پایدار با تابش فروسرخ بینابینی وجود دارد. علاوه بر این تابش‌های لایه‌های اتمی فسفر سیاه کپسوله شده ناهمسانگردی خطی بالایی از خوددارند که نشان می‌دهد خواص شبه یک‌بعدی تابشی این لایه‌های اتمی پس از فرایند تشکیل دیفکت‌ها حفظ‌شده است. بخش آخر این رساله نتایج طیف‌سنجی نور درخش نانو لایه‌های تایتانیوم تری سولفید را ارائه می‌دهد. به لطف خدا ما برای اولین بار تابش فروسرخ از این نانو لایه‌ها را گزارش کرده و منشأ این تابش را با استفاده از طیف‌سنجی نور درخش وابسته به قطبش، دما و زمان مورد ارزیابی قرار می‌دهیم. یافته‌های ما نشان می‌دهد تایتانیوم تری سولفید یک نیم‌رسانای دوبعدی پایدار با تابش در حوالی eV 91/0 (معادل nm 1360) و با ناهمسانگردی نسبتاً قوی خطی است. بر اساس نتایج طیف‌سنجی نور درخش وابسته به توان برانگیختگی و دما، نشان می‌دهیم اکسیتن های آزاد و اکسیتن های مقید به ترتیب سهم عمده‌ای در طیف تابشی در دمای اتاق و دمای پایین دارند. علاوه بر این با استفاده از طیف‌سنجی نور درخش وابسته به زمان نیمه‌عمر تابش در دمای اتاق 210 پیکوثانیه به دست آمد. این نتایج نشان‌دهنده خواص نویدبخش تایتانیوم تری سولفید به‌عنوان یک نیم‌رسانای دوبعدی پایدار برای کاربردهای اپتوالکترونیکی و ادوات نانو فوتونیکی در طول‌موج‌های ارتباطات مخابراتی است.


کلیدواژه‌ها: مواد دوبعدی لایه ­ای ناهمسانگرد، تابش فروسرخ، فسفر سیاه، تایتانیوم تری سولفید، مهندسی دیفکت، لایه نشانی  پلاسمایی​





Fabrication and Optical Studies of Anisotropic Two-dimensional (2D) Layered Materials

By: Ali Khatibi


Abstract


Integrated photonic technology could lead to faster and more energy-efficient communication and computation. Atomically thin two dimensional (2D) layered materials with low symmetry which leads to in-plane anisotropy of electronic and optical properties hold great potential for nanoscale photonic because of their strong light absorption and emission. Despite progress, their application in integrated photonics is hindered particularly by a lack of stable 2D semiconductors emitting in the infrared part of the electromagnetic spectrum.

In this thesis, the optical properties of two anisotropic 2D layered materials with infrared emission, black phosphorus (BP) and titanium trisulfide (TiS3) are investigated using reflection\transmission spectroscopy and power-, polarization-, time- and temperature-dependent photoluminescence (PL) spectroscopy. Few-layer BP with bandgap depends on the number of layers that sweeps the visible to mid-infrared emissions. However, its instability and fast degradation under ambient atmosphere strongly affect its optical and optoelectronic applications. On the other hand, TiS3 is one of the most exciting materials in the less known 2D materials group, transition metal trichalcogenides family due to its direct bandgap around 1 eV almost independent of thickness. Interestingly its bandgap energy is close to that of silicon, adding promise for integrated photonics.

In the first part of the thesis, we demonstrate it is possible to fabricate BP few-layers and TiS3 nanolayer with acceptable quality and size using an enhanced mechanical exfoliation method. We further investigated these 2D layers using atomic force microscopy, Raman and PL spectroscopy. Notably, we demonstrate defect engineering and tunable infrared emission in few-layer BP during laser exposure in air. As the available emission wavelengths from BP follow discrete jumps in bandgap energy, methods to obtain intermediate energy values would prove useful.

To protect few-layers BP samples against degradation, photo-stable encapsulated few-layers BP with stable infrared emissions were successfully fabricated using plasma-enhanced atomic layer deposition (PEALD) and plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD). Despite the efforts to protect BP from oxidation, the creation of defects in few-layer BP with stable emission requires attention due to the wide range of potential applications. Remarkably using the PECVD method, we show that it is possible to create and protect such defect states. Furthermore encapsulated, defect-tuned few-layer BP shows high linear anisotropy suggesting that its quasi-one-dimensional properties are preserved in the defect creation process.

The last part of this thesis presents the results of photoluminescence studies of TiS3 nanoflakes. We report for the first time (best of our knowledge), infrared light emission in TiS3 nanolayers and evaluate its origin through polarization-, temperature-, and time-resolved photoluminescence spectroscopy. We find that TiS3 is a stable layered semiconductor with emission centred around 0.91 eV (1360 nm) and a relatively high linear polarization anisotropy. Based on the power and temperature dependences of the photoluminescence, we attribute the emission dominantly to free excitons at room temperature and to bound excitons at low temperature. Furthermore, we obtain the emission lifetime 210 ps using Time-resolved photoluminescence spectroscopy. Our results demonstrate the promising properties of TiS3 as a stable semiconductor for optoelectronic and nanophotonic devices operating at telecommunication wavelengths.

Keywords: Anisotropic 2D layered materials, Infrared, BP, TiS3, Defect engineering, Plasma ​deposition​

اداره کتابخانه مرکزی Top

Shahid Beheshti University,دانشگاه شهید بهشتی

دانشگاه شهید بهشتی

Shahid Beheshti University,دانشگاه شهید بهشتی

دانشگاه شهید بهشتی