Μελέτη της αλληλεπίδρασης διδιάστατων κρυστάλλων με διαφορετικής φύσεως επιφάνειες μέσω οπτικής φασματοσκοπίας
Authors: Σερεμέτης Λάμπρος 
Published: November 2024

Η ανακάλυψη των διδιάστατων κρυστάλλων (two-dimensional, 2D) οδήγησε στην ραγδαία ανάπτυξη μιας επιστημονικής περιοχής, που στοχεύει στην κατανόηση των ιδιοτήτων και την εφαρμογή τους σε διάφορα πεδία της νανοτεχνολογίας (οπτοηλεκτρονική, διαχείριση θερμότητας, νανοσύνθετα κ.α.). Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η συστηματική διερεύνηση της μεταβολής της θερμοκρασίας στις οπτικές, δονητικές και δομικές ιδιότητες σημαντικών τεχνολογικά διδιάστατων υλικών όπως το γραφένιο ενός ή περισσοτέρων στρωμάτων, hBN και MoS2. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στο ρόλο του υποστρώματος στις μετρούμενες θερμοκρασιακές μεταβολές και εκτιμήθηκε ποσοτικά η μεταφορά μηχανικής παραμόρφωσης από το υπόστρωμα στο διδιάστατο κρύσταλλο λόγω θερμικών τάσεων. Ο ακριβής προσδιορισμός της θερμομηχανικής απόκρισης των 2D υλικών που εναποτίθενται στην επιφάνεια μηχανικών υποστρωμάτων όπως Si/SiO2, χαλκός κ.α. είναι ζωτικής σημασίας για το σχεδιασμό καινοτόμων οπτικοηλεκτρονικών διατάξεων. Προσδιορίστηκε πειραματικά η εξάρτηση από τη θερμοκρασία και οι θερμοκρασιακές κλίσεις των συχνοτήτων των κορυφών Raman G και 2D του γραφενίου που αναπτύχθηκε με τη μέθοδο CVD σε φύλλο χαλκού, στο εύρος θερμοκρασιών 12-493 Κ. Η εγγενής μετατόπιση της θέσης της κορυφής G αναλύθηκε με ακρίβεια προσδιορίζοντας τη θερμικά επαγόμενη μηχανική παραμόρφωση που μεταφέρεται από το υπόστρωμα χαλκού στο γραφένιο. Επιπλέον, υπολογίστηκε η θερμικά επαγόμενη παραμόρφωση που μεταφέρεται στο γραφένιο όταν εναποτίθεται ή αναπτύσσεται σε διάφορα τεχνολογικά σημαντικά υποστρώματα, όπως το νικέλιο, το αλουμίνιο κ.ά. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η πειραματική μελέτη των εξαρτώμενων από τη θερμοκρασία Raman ενεργών φωνονίων G και 2D φύλλων γραφενίου με διάφορα πάχη (από ένα έως τέσσερα στρώματα), εντός της θερμοκρασιακής περιοχής 223 Κ έως 473 Κ. Τα φύλλα γραφενίου μεταφέρθηκαν σε υπόστρωμα πυριτίου με στρώμα SiO₂ πάχους 90 nm, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μηχανικής αποφλοίωσης. Διερευνήθηκε η επίδραση του πάχους του στρώματος SiO2 του υποστρώματος πυριτίου στη μηχανική παραμόρφωση που αναπτύσσεται στα φύλλα γραφενίου κατά τις θερμοκρασιακές μεταβολές. Επιπλέον, μελετήθηκε πειραματικά η θερμοκρασιακή εξάρτηση του οπτικού φωνονίου E2g του hBN για στρώματα διαφορετικού πάχους στην θερμοκρασιακή περιοχή από 183 K έως 473 K. Τα δείγματα hBN τοποθετήθηκαν σε υπόστρωμα πυριτίου με πολύ λεπτό στρώμα SiO2 (90 nm). Στη συνέχεια, προσδιορίστηκε η εγγενής (implicit) μετατόπιση της κορυφής E2g και ο συντελεστής θερμικής διαστολής του μονοστρωματικού hBN σε θερμοκρασία δωματίου. Οι πειραματικές μετρήσεις συνδυάστηκαν με θεωρητικούς υπολογισμούς για τη θερμοκρασιακή εξάρτηση του φωνονικού τρόπου δόνησης του μονοστρωματικού hBN, βασιζόμενοι σε προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (MD). Εκτιμήθηκε η θερμοκρασιακή εξάρτηση των Raman ενεργών φωνονίων πρώτης τάξης του μονοστρωτικού MoS2, το οποίο αναπτύχθηκε σε υπόστρωμα SiO2/Si μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών με μήκος κύματος διέγερσης 632.8 nm. Η φασματοσκοπία Raman χρησιμοποιήθηκε για να προσδιοριστεί η θερμοκρασιακής εξάρτησης των συχνοτήτων των φωνονίων των κορυφών A1g και E2g του μονοστρωματικού MoS2. Τόσο η θέση της κορυφής A1g (Pos(A1g)) όσο και της E2g (Pos(E2g)) παρουσίασαν χαρακτηριστική μετατόπιση καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Η πρόσφυση του γραφενίου με υλικά ή σε διατάξεις διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη συμπεριφορά και τις ιδιότητές του. Για τον σκοπό αυτό, μελετήθηκε ο τρόπος με τον οποίο επικάθεται το γραφένιο στην ιδιαίτερη επιφάνεια του πολυδιμεθυλσιλοξάνης (PDMS) Το υπόστρωμα PDMS παρασκευάστηκε με χύτευση του πολυδιμέθυλου σιλοξανίου πάχους τριών χιλιοστών (3mm), το οποίο τοποθετήθηκε πάνω στην κυματοειδή επιφάνεια εγγράψιμου συμπαγούς δίσκου (CD), με αποτέλεσμα τη δημιουργία ημιτονοειδών πτυχώσεων επί του PDMS. Διερευνήθηκαν οι μηχανικές παραμορφώσεις που υφίστανται ο κρύσταλλος από την επαφή του με το υπόστρωμα. Η μορφολογία του δείγματος εξετάστηκε με τη μέθοδο της μικροσκοπίας ατομικής δυναμικής (Atomic Force Microscopy, AFM). Παράλληλα, χρησιμοποιήθηκε η φασματοσκοπία Raman για να μελετηθεί η αλληλεπίδραση του γραφενίου με το υπόστρωμα, μέσω της ανάλυσης των μεταβολών στα φασματοσκοπικά χαρακτηριστικά των κορυφών G και 2D.