Epitaksja dwuwymiarowych materiałów warstwowych z grupy dichalkogenków metali przejściowych: MoTe2, MoSe2, NiTe2

Materiały warstwowe są w ostatnich latach bardzo intensywnie badaną grupą kryształów. Szczególnie interesujące jest w ich przypadku zmniejszenie grubości do pojedynczych lub kilku warstw atomowych, co skutkuje redukcją wymiarowości i pozwala często na obserwację efektów niewystępujących w formie objętościowej. Do grupy tych materiałów należą dichalkogenki metali przejściowych. Przyciągają one uwagę swoimi właściwościami fizyczno-chemicznymi, na przykład dużą siłą oscylatora przejść ekscytonowych, które rodzą szeroką gamę potencjalnych aplikacji między innymi w nanofotonice. Zainteresowanie wzbudzają także wśród naukowców z dziedzin biomedycznych, na przykład dając nadzieję na wykorzystanie ich jako nanodetektory. Od wielu lat techniki epitaksjalne, a wśród nich epitaksja z wiązek molekularnych dają znakomite rezultaty wzrostów kryształów trójwymiarowych i z budowanych z nich heterostruktur. Rekordowe ruchliwości nośników, bardzo wąskie linie spektralne to tylko niektóre rezultaty obserwowane w próbkach epitaksjalnych. Natomiast otwartą kwestią pozostaje możliwość efektywnego wytwarzania cienkich warstw materiałów dwuwymiarowych takimi metodami. Pierwsze na świecie dwuwymiarowe warstwy epitaksjalne nie były wysokiej jakości i nie dawały dużej nadziei na konkurowanie z innymi technikami ich wytwarzania. Nie obserwowano wyraźnych efektów charakterystycznych dla danych materiałów takich jak ostre linie emisji czy występowanie stanów topologicznie chronionych. W niniejszej pracy postawiono za cel wytworzenie wysokiej jakości kryształów dwuwymiarowych przy wykorzystaniu metody epitaksji z wiązek molekularnych. Prezentowane wyniki dotyczą dwutellurku molibdenu, dwuselenku molibdenu oraz dwutellurku niklu. Wśród nich, MoSe2 jest półprzewodnikiem, NiTe2 półmetalem, a MoTe2 należy do obydwu grup, zależnie od fazy krystalicznej. Prezentowana trójka stanowi zatem reprezentatywny zestaw materiałów o różnych właściwościach elektronowych. Przedstawiono także zbudowane z tych materiałów przykładowe heterostruktury, również wytworzone metodą epitaksji. Otrzymane struktury scharakteryzowano przy użyciu licznych technik obrazujących ich podstawowe cechy i właściwości. Zaproponowano dwa modele opisujące w sposób ilościowy rezultaty wzrostów. Przedstawione w rozprawie wyniki udowadniają prawdziwie epitaksjalny charakter przeprowadzonych procedur wytwarzania kryształów dwuwymiarowych. Po pierwsze, krytyczny jest dobór symetrii podłoża. Po drugie, osie krystaliczne wytworzonych cienkich warstw odzwierciedlają osie krystaliczne podłoża. Po trzecie, stałe sieci wskazują na naprężenie wytworzonych materiałów w wyniku oddziaływania z podłożem. Liczne techniki pomiarowe pozwoliły ocenić, iż jakość krystaliczna, strukturalna oraz właściwości fizyczne niektórych wytworzonych warstw są bardzo dobre.

Layered materials are intensively investigated crystals nowadays. One of the pronounced group in this class are transition metal dichalcogenides. Their interesting properties comes with the reduction of dimensionality which leads to the observation of physical phenomena not available in the bulk form e.g. high oscillator strength of excitons. Such behaviour brings variety of potential application in various fields such as nanophotovoltaics or nanodetection. For many years now the epitaxial techniques provides high quality three-dimensional crystals and heterostructures. State of the art carrier mobility or super narrow exciton lines are just a few to be mentioned. From the other hand, the growth of two-dimensional layered materials by such methods still leaves a lot of space for improvements. The results presented so far still fail to compete with other production methods of thin layered materials. The aim of this work was to produce high quality two-dimensional thin films of transition metal dichalcogenides using molecular beam epitaxy method. Presented results concerns the growth of molybdenum ditelluride, molybdenum diselenide and nickel ditelluride. From above MoSe2 is a semiconductor, NiTe2 is a semimetal and MoTe2 belongs to the two groups depending on its crystal phase. The above three are a illustrative representatives of materials with various electrical properties. The heterostructures of these crystals were produced with molecular beam epitaxy and are also presented. Numerous techniques were used to characterise created crystals. Two models are proposed to qualitatively analyse growth outcomes. Results presented in this work prove truly epitaxial character of produced two-dimensional structures. First, the symmetry of a chosen substrate is critical. Second, crystal axes of the grown layers reflects the crystal axes of the substrate. Third, lattice constant of the grown thin layers are strained with respect to the substrate.