2B organik-inorganik hibrit perovskit/geçiş metali dikalkojenit heteroyapılı optik soğurma tabakalarının geliştirilmesi
Development of 2D organic-inorganic hybrid perovskite/transition metal dichalcogenide heterostructured optical absorption layers
Yazar: ALP YILMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ AYDAN YELTİK
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Kimya = Chemistry ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
P-n diyot yapısına sahip yüksek performanslı fotodedektör uygulamalarının geliştirilmesi için absorpsiyon katmanı olarak uygun yarıiletken malzemelerin seçilmesi ve bunların özelliklerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Özellikle son yıllarda iki boyutlu (2B) organik-inorganik hibrit perovskit (OHP) tek kristal ve geçiş metali dikalkojenitler (TMD) üstün optik ve elektronik özelliklere sahip olmalarından dolayı diyot uygulamalarında öne çıkmaktadırlar. Fakat literatürde yer alan çalışmalarda çeşitli p-n diyot yapısına sahip OHP/TMD heteroyapılarında gerçekleşen fotofiziksel süreçler detaylı şekilde ortaya konulmaya çalışılsa da, hala bu bilgiler arasında uyumsuzluklar olmakla beraber henüz açıklanamayan süreçler de bulunmaktadır. Bu tez kapsamında, BA2MAPb2I7/MoS2, BA2PbBr4/MoS2 ve BA2PbI4/MoS2 heteroyapılar ilk defa üretilmiş ve fotofiziksel süreçlerin incelenmesi için sistematik ölçümler gerçekleştirilmiştir. Öncelikle yığın 2B RP OHP ve tek katmanlı MoS2 tek kristalleri sırasıyla, çözelti bazlı kristal büyütme ve kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemleri kullanılarak sentezlenmiştir. Ayrıca, milimetreler mertebesinde geniş yüzey alanına sahip tek katmanlı MoS2 filmin cam destekli CVD yaklaşımı kullanılarak sentezlenmesi üzerine çalışmalar yürütülmüştür. Ardından mekanik eksfoliasyon yöntemi kullanılarak, SiO2/Si alttaş yüzeyinde onlarca nanometre mertebesinde düşük kalınlıklara sahip 2B RP OHP tek kristaller üretilmiştir. Düşük kalınlıklardaki tek kristaller, polimer bazlı PPC/PDMS damga yöntemiyle tek katmanlı MoS2 üzerine transfer edilerek heteroyapılar oluşturulmuştur. Buna göre, üretilen BA2MAPb2I7/MoS2 heteroyapılardaki perovskit PL yoğunluğu, heteroyapı bölgesinin dışındaki perovskit PL yoğunluğuna kıyasla birkaç kata kadar önemli ölçüde daha düşüktür. Ek olarak, BA2PbBr4/MoS2 ve BA2PbI4/MoS2 heteroyapılarında MoS2 PL yoğunluğunun, heteroyapı bölgesinin dışındaki MoS2 PL yoğunluğuna kıyasla birkaç kata kadar önemli ölçüde daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. Bundan dolayı, üretilen heteroyapıların tip-II heteroeklem konfigürasyonu özellikleri sergiledikleri sonucuna varılmıştır. Üretilen BA2MAPb2I7/MoS2 heteroyapılarda, perovskit katmanının PL yoğunluğu, yük transferinden kaynaklanan sönümleme etkisi nedeniyle belirgin şekilde azalmaktadır. Özellikle heteroyapı bölgesinde MoS2 yapısının emisyon spektrumunda PL tepe noktasının 678 nm dalgaboyu değerinden 682 nm'ye kırmızı kayma yapması emisyon spektrumunda negatif trionların baskınlığını göstermekte ve heteroyapı içinde yük transferinin kanıtını sağlamaktadır. Buna ek olarak, perovskit tabakanın kalınlık değerine bağlı olarak fotofiziksel süreçlerin değişimi incelenmiştir. Sonuç olarak, kalınlık değerinin 10 nm altına düşmesiyle, PL sönümleme etkisinin önemli derecede arttığı, perovskit tabakanın PL spektrumunun yaklaşık olarak tamamının sönümlendiği gözlemlenmiştir. Bunun nedeni ise foton geri dönüşüm etkisinden dolayı kalınlık değeri arttıkça yük transfer sürecinin zayıflaması olarak belirtilmiştir. Diğer taraftan, bazı heteroyapılarda ise PL şiddetinin 8 kata kadar önemli derecede arttığı da gözlemlenmiştir ve arkasında yatan sebebin enerji transferi olabileceği öngörülmüştür. Buna ek olarak, üretilen BA2PbBr4/MoS2 ve BA2PbI4/MoS2 heteroyapılarda ise IX emisyon spektrumunun varlığı incelenmiş ve 532-1950 nm dalgaboyu değerleri arasında gözlemlenememiştir. Ayrıca, BA2MAPb2I7/MoS2 heteroyapısında olduğu gibi BA2PbBr4/MoS2 ve BA2PbI4/MoS2 heteroyapılarında da perovskit tabakanın kalınlık değerinin azalması ile MoS2 emisyon spektrumunda PL sönümleme etkisinin 12 kata kadar arttığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
Developing high-performance photodetectors with a p-n diode structure involves selecting suitable semiconductor materials as absorption layers and enhancing their properties, which is a key focus area. Particularly in recent years, two-dimensional (2D) organic-inorganic hybrid perovskites (OHPs) and transition metal dichalcogenides (TMDs) have gained great attention for use in diode structures due to their superior optical and electronic properties. Although some studies in the literature have attempted to reveal the underlying photophysical processes in various p-n OHP/TMD heterostructures, there are still inconsistencies and processes that have not been explained yet in detail. Within the scope of this thesis, BA2MAPb2I7/MoS2, BA2PbBr4/MoS2 and BA2PbI4/MoS2 heterostructures were produced for the first time, and systematic measurements were carried out to investigate the photophysical processes. Bulk 2D RP OHP and monolayer MoS2 single crystals were first synthesized using solution-based crystal growth and chemical vapor deposition (CVD) techniques, respectively. Studies were also carried out on the synthesis of a monolayer MoS2 film with a large surface area of the order of millimeters using the glass-assisted CVD approach. 2D RP OHP single crystals with low thicknesses on the order of tens of nanometers were produced on SiO2/Si surfaces via mechanical exfoliation. The OHP/MoS2 heterostructures were formed by transferring low-thickness perovskite single crystals onto monolayer MoS2 using the polymer-based PPC/PDMS stamping method. The PL intensity of perovskite within the junction region of the produced BA2MAPb2I7/MoS2 heterostructures is notably lower, by several times, compared to outside the junction. Furthermore, it has been observed that the PL intensity of MoS2 within the junction region of the produced BA2PbBr4/MoS2 and BA2PbI4/MoS2 heterostructures is significantly lower compared to outside the junction. These observations lead to the conclusion that the produced heterostructures exhibit characteristics of a type-II heterojunction configuration. In the BA2MAPb2I7/MoS2 heterostructures, the PL intensity of the perovskite layer diminishes notably due to the quenching effect resulting from charge transfer. Particularly within the heterostructure region, the redshift of the PL peak from a 678 nm wavelength to 682 nm indicates the prevalence of negative trions in the MoS2 emission spectrum, providing evidence of charge transfer within the heterostructure. Additionally, the variation in photophysical processes based on the thickness of the perovskite layer was investigated. It was observed that as the thickness decreases below 10 nm, the PL quenching effect increases significantly, nearly extinguishing the entire PL spectrum of the perovskite layer. This is attributed to the weakening of the charge transfer process with increasing thickness, due to the photon recycling effect. On the contrary, in some heterostructures, a significant increase in PL intensity, up to 8 times, was observed. This increase is speculated to be due to energy transfer. Furthermore, the presence of the interlayer exciton (IX) emission spectrum in the BA2PbBr4/MoS2 and BA2PbI4/MoS2 heterostructures was investigated and was not observed within the 532-1950 nm wavelength range. Moreover, akin to BA2MAPb2I7/MoS2 heterostructures, a notable increase, up to 12 times, in the PL quenching in the MoS2 emission spectrum was observed with decreasing thickness of the perovskite layer in BA2PbBr4/MoS2 and BA2PbI4/MoS2 heterostructures.