İki boyutlu malzemelerden nanoaygıt tasarımı ve fabrikasyonu
Design and fabrication of nanodevices using two dimensional materials
Yazar: MERVE ACAR
Danışman: PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Gözenekli silisyum = Porous silicon

Özet:
Amaç: Bu çalışmada, iki boyutlu (2B) sürekli filmler üzerine yüksek performanslı elektronik aygıt üretilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda 2B malzemeler büyük alan, sürekli, homojen ve yüksek kalitede büyütülmüştür. Farklı kalınlıklarda büyütülen WS2 ve MoS2 filmlerin yanı sıra, bu 2B malzemelerden oluşturulan heteroyapıların da fiziksel ve kimyasal karakterizasyonu yapılmıştır. Ayrıca sürekli filmler ve heteroyapılar üzerine üretilen aygıtların performanslarının değerlendirilmesi ve FET'lerin ambipolar özellik gösterip göstermeme durumlarının incelenmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: 2B'li MoS2 ve WS2 sürekli filmler RFMS yöntemi kullanılarak tek bir adımda farklı kalınlıklarda büyütülmüştür. Bu filmlerin yapısal ve morfolojik analizleri için optik mikroskop, SEM, XPS, XRD, AFM, Raman ve Raman haritalama kullanılmıştır. 2B film tabanlı elektronik aygıtlar tek bir litografi adımı ile oluşturulmuştur. Bu aygıtların davranışlarının analiz edilmesi için tez kapsamında geliştirilen bir ölçüm sistemi kullanılmıştır.
Bulgular: Büyütülen filmlerin yapısal, kimyasal, morfolojik ve optik analizlerinden, sürekli, geniş alan ve homojen olarak WS2 ve MoS2 filmlerin RFMS (Radyo Frekans Magnetron Saçtırtma) yöntemi ile başarılı bir şekilde büyüdüğü gösterilmiştir. Üretilen FET'lerin ambipolar özellik gösterdiği ortaya konulmuştur. Özellikle heteroeklem FET'lerde ambipolaritenin voltaj ile kontrol edilebildiği bulunmuştur.
Sonuç: 2B'li malzemelerin laboratuvar çalışmalarından, endüstriyel devre seviyesindeki uygulamalara geçmesinin önündeki en büyük engel olan büyük alan ve sürekli film olarak büyüme problemine öneri olarak sunulan RFMS yöntemi ile büyük alan ve sürekli filmler elde edilmiştir. Büyütülen filmlerden, aynı alttaş üzerine kolay ve ucuz bir şekilde tek bir litografi adım ile onlarca FET, p-n eklem ve gözenekli silisyum tabanlı FET elde edilmiştir. Üretilen aygıtların elektronik endüstrisinde önemli bir potansiyele sahip olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Purpose: In this study, it is aimed to produce high performance electronic device on two dimensional (2D) continuous films. For this purpose, 2D materials have been grown in large area, continuous, homogeneous and high quality film. In addition to WS2 and MoS2 films grown at different thicknesses, the heterostructures formed from these 2B materials have been also physically and chemically characterized. It is also aimed to evaluate the performance of devices produced on continuous films and heterostructures and to examine if FETs show ambipolar features.
Method: 2D MoS2 and WS2 continuous films have been grown in different thicknesses in a single step using the RFMS method. Optical microscope, SEM, XPS, XRD, AFM, Raman and Raman mapping have been used for structural and morphological analysis of these films. 2D film-based electronic devices have been created with a single step lithography method. A measurement system have been developed within the scope of the thesis to be used in analyzing the behavior of these devices.
Findings: From the structural, chemical, morphological and optical analysis of the grown films, it has been shown that WS2 and MoS2 films have been successfully grown by RFMS (Radio Frequency Magnetron Sputtering) method on continuous, large area and homogeneous films. It has been demonstrated that the FETs produced have ambipolar properties. It has been found that ambipolarity can be controlled by voltage, especially in hetero-joint FETs
Results: Large area and continuous films have been obtained with the RFMS method, which is presented as a suggestion for the solution of the problem of growing as a large area and continuous film, which is the biggest obstacle for the transition of 2D materials from laboratory studies to applications at the industrial circuit level. Tens of FETs, p-n junctions and porous silicon based FETs were obtained on the same substrate, using the grown films, easily and cheaply in a single lithography step. It is concluded that the devices produced have an important potential in the electronics industry.