İki boyutlu yarıiletken TMDC malzemelerin katkılanması ve optik/elektriksel özelliklerinin incelenmesi
Doping of two-dimensional semiconductor TMDC materials and characterisation of optical/electrical properties
Yazar: YUSUF KEREM BOSTAN
Danışman: DOÇ. DR. FAHRETTİN SARCAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Fen bilimleri = Sciences ; Malzeme bilimi = Material science

Özet:
2 Boyutlu (2B) Geçiş Metali Dikalkojenitler (Transition Metal Dichalcogenides, TMDC) ailesi
üyesi olan Molibden disülfür (Molybdenum Disulfide, MoS2) ve Molibden ditellür
(Molybdenum Ditelluride, MoTe2) yarıiletken özelliklere sahip olup bant aralıkları tabaka 
sayısına bağlı olmakla birlikte 1-2 eV arasındadır. Gerçek 2B yapıları sayesinde sahip oldukları
sıra dışı yapısal, mekanik ve elektriksel özelliklerinin yanı sıra yüksek eksitonik bağlanma 
enerjileriyle (300-400 meV) oda sıcaklığında bile eksitonik ışıma yapmaktadırlar. Bu 
özellikleriyle yarıiletken 2B malzemeler optoelektronik cihaz teknolojisinde yeni bir çağ 
başlatmıştır.
Modern elektronik ve optoelektronik p-n eklem Si ile p-n eklem III-V grubu yarıiletkenler 
tabanlı aygıt teknolojileri üzerine kurulmuştur. Bu malzemelere alternatif olan 2B 
malzemelerdeki en önemli sorun yüksek yüzey/hacim oranının sonucu olarak safsızlık (katkı) 
atomlarına karşı sahip oldukları aşırı duyarlılıktır. Kovalent bağ bazlı yarıiletkenler için 
kullanılan geleneksel katkı yöntemleri, malzemelerin kristal yapılarını değiştirerek optik, 
elektriksel ve yapısal özelliklerini bozduğu için, 2B yarıiletken TMDC'ler için uygun değildir. 
Bunun yerine literatürde büyütme sonrası katkılama yöntemleri önerilmektedir. Literatürde 
genellikle kaktı yönteminin 2B malzemelerin elektriksel özellikleri üzerine etkisine
odaklanılmış olunmasına rağmen, optoelektronik aygıt uygulamaları için katkı yönteminin ve 
yoğunluğun malzemelerin optik ve yapısal özellikleri üzerine etkisinin de karakterize edilmesi 
önemlidir.
Bu tez kapsamında 2B MoS2 ve MoTe2 yapıların UV-O3 ve 1,2-dikloroethan (DCE) ile sırasıyla 
p- ve n- tipi katkılanması ve katkı tipinin, yoğunluğunun malzemenin yapısal, optik ve 
elektriksel özelliklerine etkisi incelenmektedir. Farklı tabaka sayısına sahip 2B MoS2 ve MoTe2
yarıiletken malzemelerin katkılama süresine bağlı fotolüminesans (PL) şiddetindeki değişim 
veya bant aralığının kayması gibi optik özelliklerine etkisini ve alan etkili transistör (FET) 
karakterizasyonu ile katkılamanın taşıyıcı dinamiğine ve elektriksel özelliklerine etkisi 
incelenmiştir. Böylece MoS2 ve MoTe2 tabanlı optoelektronik aygıt fabrikasyonlarında 
malzemenin optik özelliklerini bozmadan optimum katkılama parametreleri belirlenmiştir. Tez 
kapsamındaki tüm fabrikasyon ve karakterizasyon süreçleri İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi 
Nano/Optoelektronik laboratuvarında yürütülmüştür. Bu çalışma sonrasında diğer TMDC
malzemelerde de benzer metotların uygulanması yeni araştırma konularının açılmasına olanak 
sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Two-Dimensional (2D) Transition Metal Dichalconenides (TMDC) family members 
Molybdenum Disulfide (MoS2) and Molybdenum Ditelluride (MoTe2) are semiconductors with 
bandgaps ranging from 1 to 2 eV, depending on the number of layers. Thanks to their real 2D 
characteristics, they exhibit extraordinary structural, mechanical, and electrical properties, as 
well as excitonic emission at room temperature due to their high excitonic binding energies 
(300-400 meV), these properties have initiated a new era in semiconductor 2D material-based 
optoelectronic device technology.
Modern electronic and optoelectronic devices are based on p-n junction Si and p-n junction IIIV group semiconductor device technologies. The most significant issue with 2D materials as 
an alternative to these materials is their extreme sensitivity to impurity (dopant) atoms due to 
the high surface-to-volume ratio. The traditional doping method for covalently bonded 
semiconductors is not suitable for 2D semiconductor TMDCs, as it alters the crystal structure 
and disrupts optical, electrical, and structural properties. Instead, post-growth doping methods 
are suggested in the literature. Although the focus in the literature is generally on the effect of 
the doping method on the electrical properties of 2D materials, characterizing the impact of the 
doping method and density on the optical and structural properties of the materials is also 
essential for optoelectronic device applications.
In this thesis, p- and n-type doping of 2D MoS2 and MoTe2 structures with UV-O3 and 1,2-
dichloroethane (DCE) is investigated, and the effect of doping type and density on the 
structural, optical, and electrical properties of the material is studied. The influence of doping 
duration on the photoluminescence (PL) intensity and bandgap shift of 2D MoS2 and MoTe2
semiconductors with different numbers of layers is examined, as well as the effect of doping on 
carrier dynamics and electrical properties through field-effect transistor (FET) characterization. 
In this way, the optimum doping parameters have been determined for MoS2 and MoTe2-based 
optoelectronic device fabrication without degrading the optical properties of the material. All 
fabrication and characterization processes within the scope of the thesis were conducted in the 
Nano/Optoelectronics laboratory of Istanbul University Faculty of Science. It is thought that 
the application of similar methods to other TMDC materials after this study will open up new 
research topics.