title: Ionic control of 2D semiconductors:
title: From exfoliation to ionically-controlled device functionalities
titleType: Subtitle
Creators: name: Heyl, Max Johann
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 2D-Materialien
subject: Ionisches Gating
subject: Supraleitung bei niedriger Ladungsträgerdichte
subject: Neuromorphe Bauteile
subject: Exfoliation von MoS₂, Li-Interkalation
subject: Elektrochemische Doppelschicht
subject: Halbleiterbauteilphysik
subject: Halbleiterbauteile
subject: 2D materials
subject: Ionic gating
subject: Superconductivity at low charge carrier density
subject: Neuromorphic devices
subject: Exfoliation of MoS₂
subject: Li intercalation
subject: Electrochemical double layer
subject: Device Physics
subject: Device Engineering
subject: 541 Physikalische Chemie

description: Geschichtete bzw. 2D Materialien bieten interessante Eigenschaften für Halbleiteranwendungen, wie Photonik durch direkte Bandlücken und Miniaturisierung durch atomar dünne Schichten. Diese Arbeit behandelt die Isolierung von 2D-Materialien und die Kontrolle über ionische Modulation in den resultierenden Bauteilen. Im ersten Kapitel wird eine silbervermittelte Exfoliation für MoS₂ eingeführt, die Monolagen mit großer Fläche liefert. Diese Technik ist ebenso leistungsfähig wie goldvermittelte Prozesse und erfordert nur einen einfachen Heizschritt, was zukünftige Exfoliationen erleichtern könnte. Die folgenden Kapitel befassen sich mit Funktionen, die durch kontrolliertes ionisches Gating ermöglicht werden. Im zweiten Kapitel wird die kontrollierte Li-Interkalation in LixZrNCl genutzt, um Supraleitung bei niedriger Ladungsträgerdichte zu untersuchen (BCS-BEC-Übergang). Durch Steuerung der Li-Menge wurden Veränderungen in der Vortex-Dynamik aufgedeckt, z.B. ein Vorzeichenwechsel im Vortex-Hall-Effekt, was auf eine Veränderung der Vortex-Flussdynamik in BEC-ähnlicher Supraleitung zurückgeführt wurde. Diese Erkenntnisse sind relevant für die Entwicklung von Supraleitern. Das dritte Kapitel wechselt zu Bauteilen auf Basis der elektrochemischen Doppelschicht (EDL). Ein 2D MoS₂-synaptischer Transistor wurde demonstriert, wobei gezeigt wurde, dass die Hysterese auf Ionenretention an der EDL zurückzuführen ist. Diese Kombination eines 2D-Materials mit einem Polymerelektrolyten emuliert synaptische Lernprozesse wie gepaarte Puls-Fazilitation und arbeitet energieeffizient. Das letzte Kapitel verlagert das ionische Gating auf das Substrat mittels Li-Ionen-leitender Keramiken für operando-Messungen an 2D-Materialien. Zusammenfassend demonstriert diese Arbeit neben der Exfoliation die vielfältigen Funktionen, die durch kontrolliertes ionisches Gating verfügbar sind, einschließlich Supraleitung bei niedriger Ladungsträgerdichte, neuromorphe Bauteile und operando-Plattformen.
description: Layered materials and their 2D single-layer forms offer interesting properties for semiconductor applications, such as photonics due to direct band gaps and miniaturization through atomically thin layers. This work addresses the isolation of 2D materials and the control via ionic modulation in the resulting devices. In the first chapter, a silver-mediated exfoliation for MoS₂ is introduced, yielding large-area monolayers. This technique is as effective as gold-mediated processes and requires only a simple heating step, potentially simplifying future exfoliations. The following chapters explore functions enabled by controlled ionic gating. The second chapter utilizes controlled Li intercalation in LixZrNCl to investigate superconductivity at low charge carrier densities to investigate superconductivity within the BCS-BEC crossover. By adjusting the Li content, changes in vortex dynamics were revealed, such as a sign reversal in the vortex Hall effect, attributed to altered vortex flow in increasingly BEC-like superconductivity. These findings are relevant for the development of future superconductors. The third chapter shifts to devices based on the electric double layer (EDL). A 2D MoS₂ synaptic transistor was demonstrated, showing that hysteresis and hence the short-term memory effect stems from ion retention in the EDL formed at the 2D material electrolyte interface. This combination of a 2D material with a polymer electrolyte emulates synaptic learning processes like paired-pulse facilitation and operates in an energy-efficient manner. The final chapter translates the ionic gating to the substrate using Li-ion-conducting ceramics for operando measurements on 2D materials in “open-hood” devices. In summary, besides exfoliation, this work demonstrates the diverse functions achievable through controlled ionic gating applied to 2D and layered materials, including superconductivity at low charge carrier densities, neuromorphic devices, and operando platforms.