Synthesis and engineering of 2D materials and their heterostructures
Authors: Δημητρόπουλος Μαρίνος 
Published: February 2023

Τις προηγούμενες δύο δεκαετίες, η ανακάλυψη των δισδιάστατων υλικών (2DM) κατέκλυσε τον κόσμο και αποτελούν ένα νέο ερευνητικό σημείο αναφοράς για πολλά εξωτικά φυσικά φαινόμενα. Έχουν γίνει αξιοσημείωτες προσπάθειες για τη σύνθεση και τον σχεδιασμό αυτών των υλικών και των ετεροδομών τους, με τους ερευνητές να δίνουν περισσότερο έμφαση στη βιομηχανική τους ενσωμάτωση. Ωστόσο, για να κατανοήσουμε πλήρως την έκταση των ασυνήθιστων ιδιοτήτων τους, ο χαρακτηρισμός με ακρίβεια νανομέτρου είναι αναγκαίος. Επομένως, για να εισαχθεί ένα 2DM στην εφαρμογή ενδιαφέροντος, πρέπει πρώτα να κατανοηθεί το πλήρες εύρος των ιδιοτήτων τους στη νανοκλίμακα. Επιπλέον, χάρη στη χαρακτηριστικά εξαιρετική μηχανική αντοχή και ευελιξία τους, μπορούν να προσφέρουν μια ιδανική πλατφόρμα για τη μηχανική κυματώσεων, επιτρέποντας τη ρύθμισης της διαμόρφωσης τους με αξιοσημείωτη βελτίωση των ιδιοτήτων τους. Η σκόπιμη εισαγωγή και χειρισμός τοπολογικών διαταραχών αναμένεται να αποφέρει σημαντικό βαθμό ελευθερίας στο σχεδιασμό ηλετρονικών συσκευών. Η παρούσα διατριβή αναδεικνύει τη σημασία του χειρισμού νανοκλίμακας των ιδιοτήτων των 2DM μέσω της κυμάτωσης και περιλαμβάνει τη σύνθεση και τη μηχανική των 2DM και των ετεροδομών τους. Ο ευέλικτος έλεγχος της ρυτίδωσης επιτεύχθηκε είτε με την εφαρμογή εξωτερικών ερεθισμάτων είτε με τη μεταφορά του 2DM πάνω σε προσχεδιασμένα υποστρώματα για καθοδηγούμενες και εντοπισμένες τάσεις. Μη-καταστροφικά φασματοσκοπικά και μικροσκοπικά εργαλεία χαρακτηρισμού χρησιμοποιήθηκαν για να προσδιοριστούν ποσοτικά οι τροποποιήσεις που έχουν δημιουργηθεί από τη μηχανική τάσεων σε αυτές τις ιδιότητες. Οι νανοηλεκτρικές και νανομηχανικές ιδιότητες των σχεδιασμένων υλικών διερευνήθηκαν εκτενώς με τη βοήθεια των τεχνικών: Kelvin Probe Force Microscopy για έργο εξόδου στη νανοκλίμακα, Tunneling Atomic Force Microscopy για κατανομή ρεύματος στην επιφάνεια, Nanoindentation για θραύση των μεμβρανών και Lateral Force Microscopy για μετρήσεις τριβής.Στα πρώτα δύο κεφάλαια, το πλαίσιο της διατριβής χτίζεται κάνοντας μια εισαγωγή στον κόσμο των 2DM και διερευνώντας την έκταση των νανομηχανικών και νανοηλεκτρικών ιδιοτήτων για το γραφένιο καθώς και τις οδούς μηχανικής κυματώσεων, αντιστοίχως. Το τρίτο κεφάλαιο περιλαμβάνει τα απαραίτητα εργαλεία χαρακτηρισμού για τη διερεύνηση των 2D ιδιοτήτων, όπως Μικροσκοπία Ατομικής Δύναμης (AFM), φασματοσκοπία Raman και Φωτοφωταύγεια. Πιο συγκεκριμένα για το AFM, παρουσιάζονται αρχές λειτουργίας και πρωτόκολλα βαθμονόμησης για τις μεθόδους που υιοθετήθηκαν στη παρούσα διατριβή. Στα κεφάλαια τέσσερα και πέντε, διερευνάται η επίδραση των ρυτίδων γραφενίου ως προς τις ιδιότητες του στη νανοκλίμακα. Διαπιστώθηκε ότι η διαδρομή ρυτίδωσης παρουσιάζει εξαιρετικά υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα στην κορυφή της αυλάκωσης έως και δύο τάξεις μεγέθους σε σύγκριση με επίπεδες περιοχές και, ανάλογα με το υπόστρωμα, ο σχεδιασμός του έργου εξόδου στη νανοκλίμακα μπορεί να επιτευχθεί μέσω του σχεδιασμού των ρυτίδων. Επιπλέον, τα πειράματα nanoindentation σε αιωρούμενο ζαρωμένο γραφένιο βρέθηκε ότι καταστέλλουν τη διάδοση των ρωγμών και προκαλούν εντοπισμένη θραύση των μεμβρανών. Στα κεφάλαια έξι και εφτά, παρουσιάζεται η προοπτική της μηχανικής ρυτίδων στις ετεροδομές. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το γραφένιο/hBN, η πυκνότητα ρυτίδων των φύλλων 2D που προκύπτουν φυσικά από τη διαδικασία Χημικής Εναπόθεσης Ατμών (CVD) μπορεί να αξιοποιηθεί ως ικρίωμα σύνθεσης για άμεση ανάπτυξη γραφενίου σε μεγάλη κλίμακα. Επιπροσθέτως, οι κυματώσεις του γραφενίου δοκιμάζονται ως προσχεδιασμένα υποστρώματα για σχεδιασμό ενεργειακού χάσματος στο MoS2, υποδηλώνοντας σημαντική αύξηση στο εύρος μηχανικής παραμόρφωσης με ελάχιστη εξωτερική θέρμανση. Συνοψίζοντας στο κεφάλαιο οκτώ, θα δοθούν μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις για την ελεγχόμενη διαμόρφωση των 2DM με άλλα μέσα όπως λέιζερ, θα επισημανθεί η ικανότητα της μικροσκοπίας ατομικής δύναμης ως εργαλείο χειρισμού ατομικά λεπτών νιφάδων για twistronics θα επισημανθεί και μονόδρομες ρυτίδες γραφενίου από CVD με καταλύτες υγρά μέταλλα μπορούν να αξιοποιηθούν για καθοδηγούμενη ροή ηλεκτρονίων.