Two dimensional (2D) inorganic materials are unique in their remarkable electrical, optical, chemical, and mechanical proprieties. Their in-plane atomic bonding is much stronger than that along the out-of-plane direction. These materials can be derived from layered van der Waals solids, but recently there are technologies to grow them with large areas. In the last decade, this class of material received a lot of attention for many kinds of applications in modern electronic and other technical fields. Especially, the interest in 2D layered transition metal dichalcogenides (TMDs) is increasing and, particularly, 2D molybdenum disulfide (MoS2) is being heavily studied due to its novel functionalities and its suitability for a wide range of application in electronic, in optoelectronic, and nanoelectromechanical systems (NEMS). The present work focuses on the investigation of the electrical proprieties of Metalorganic Vapor-Phase Epitaxy (MOVPE) MoS2 and its application in NEMS sensors. After an electrical characterization, the piezoresistive effect of the material is investigated. This phenomenon is quantified through strain sensor devices and the gauge factor can be extracted. The latter is between -50 and -100, which is an interesting range of values when compared to what observed in materials from traditional silicon technology. Taking advantage of this effect, piezoresistive NEMS pressure sensors are simulated through COMSOL Multiphysics and manufactured using MoS2 membrane. There is still a margin of improvement for the device fabrication, but MoS2 shows a great potential for future miniaturization of sensors and the development in other NEMS applications.

Il mondo dei materiali due dimensionali (2D) è unico per quanto riguarda le straordinarie proprietà elettriche, ottiche e meccaniche. Questi materiali sono caratterizzati da un legame atomico planare molto più forte rispetto a quello fuori dal piano e possono essere ottenuti rompendo il legame van der Waals in un solido. Recentemente metodi di deposizione, come deposizione chimica o fisica da vapore (CVD o PVD), sono stati sviluppati per una crescita del materiale su un'area più estesa. Negli ultimi decenni, questa classe di materiali ha ricevuto un'enorme attenzione per molteplici applicazioni, dall'elettronica moderna o in altri campi tecnici. I dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMDs) stanno ricevendo grande interesse, e in particolare il solfuro di molibdeno (MoS2) è ampiamente studiato per le sue varie funzionalità e la sua compatibilità in un ampio raggio di applicazioni nell'elettronica, nell'optoelettronica e nei sistemi nanoelettromeccanici (NEMS). Il presente lavoro è focalizzato sullo studio delle proprietà elettriche del MoS2 cresciuto secondo la tecnica dell'epitassia in fase vapore metallo-organica (MOVPE) e la sua applicazione nel campo dei sensori NEMS. Dopo una caratterizzazione elettrica delle proprietà fondamentali, viene analizzato l'effetto piezoelettrico del MoS2. Questo fenomeno viene quantificato attraverso estensimetri a cui viene applicato un carico esterno attraverso il quale è possibile estrarre il gauge factor (GF). Quest'ultimo risulta essere compreso tra -50 e -100, che corrisponde ad un buon intervallo di valori se comparato ai materiali tradizionalmente utilizzati nella tecnologia del silicio. Sfruttando questo effetto, nel presente lavoro, viene mostrata la possibilità di utilizzare il MoS2 come materiale detettore in sensori di pressione NEMS basati su una membrana piezoresistiva. Questi sensori vengono dapprima simulati tramite il software COMSOL Multiphysics e successivamente fabbricati. C'è ancora un margine di miglioramento nella fabbricazione del sensore, ma il MoS2 presenta un grosso potenziale nella miniaturizzazione dei sensori e per lo sviluppo e creazione in altre applicazioni nel campo dei NEMS.

Piezoresistive 2D MoS2 : pressure sensor simulation and fabrication

PIACENTINI, AGATA
2018/2019

Abstract

Two dimensional (2D) inorganic materials are unique in their remarkable electrical, optical, chemical, and mechanical proprieties. Their in-plane atomic bonding is much stronger than that along the out-of-plane direction. These materials can be derived from layered van der Waals solids, but recently there are technologies to grow them with large areas. In the last decade, this class of material received a lot of attention for many kinds of applications in modern electronic and other technical fields. Especially, the interest in 2D layered transition metal dichalcogenides (TMDs) is increasing and, particularly, 2D molybdenum disulfide (MoS2) is being heavily studied due to its novel functionalities and its suitability for a wide range of application in electronic, in optoelectronic, and nanoelectromechanical systems (NEMS). The present work focuses on the investigation of the electrical proprieties of Metalorganic Vapor-Phase Epitaxy (MOVPE) MoS2 and its application in NEMS sensors. After an electrical characterization, the piezoresistive effect of the material is investigated. This phenomenon is quantified through strain sensor devices and the gauge factor can be extracted. The latter is between -50 and -100, which is an interesting range of values when compared to what observed in materials from traditional silicon technology. Taking advantage of this effect, piezoresistive NEMS pressure sensors are simulated through COMSOL Multiphysics and manufactured using MoS2 membrane. There is still a margin of improvement for the device fabrication, but MoS2 shows a great potential for future miniaturization of sensors and the development in other NEMS applications.
NEUMAIER, DANIEL
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
18-dic-2019
2018/2019
Il mondo dei materiali due dimensionali (2D) è unico per quanto riguarda le straordinarie proprietà elettriche, ottiche e meccaniche. Questi materiali sono caratterizzati da un legame atomico planare molto più forte rispetto a quello fuori dal piano e possono essere ottenuti rompendo il legame van der Waals in un solido. Recentemente metodi di deposizione, come deposizione chimica o fisica da vapore (CVD o PVD), sono stati sviluppati per una crescita del materiale su un'area più estesa. Negli ultimi decenni, questa classe di materiali ha ricevuto un'enorme attenzione per molteplici applicazioni, dall'elettronica moderna o in altri campi tecnici. I dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMDs) stanno ricevendo grande interesse, e in particolare il solfuro di molibdeno (MoS2) è ampiamente studiato per le sue varie funzionalità e la sua compatibilità in un ampio raggio di applicazioni nell'elettronica, nell'optoelettronica e nei sistemi nanoelettromeccanici (NEMS). Il presente lavoro è focalizzato sullo studio delle proprietà elettriche del MoS2 cresciuto secondo la tecnica dell'epitassia in fase vapore metallo-organica (MOVPE) e la sua applicazione nel campo dei sensori NEMS. Dopo una caratterizzazione elettrica delle proprietà fondamentali, viene analizzato l'effetto piezoelettrico del MoS2. Questo fenomeno viene quantificato attraverso estensimetri a cui viene applicato un carico esterno attraverso il quale è possibile estrarre il gauge factor (GF). Quest'ultimo risulta essere compreso tra -50 e -100, che corrisponde ad un buon intervallo di valori se comparato ai materiali tradizionalmente utilizzati nella tecnologia del silicio. Sfruttando questo effetto, nel presente lavoro, viene mostrata la possibilità di utilizzare il MoS2 come materiale detettore in sensori di pressione NEMS basati su una membrana piezoresistiva. Questi sensori vengono dapprima simulati tramite il software COMSOL Multiphysics e successivamente fabbricati. C'è ancora un margine di miglioramento nella fabbricazione del sensore, ma il MoS2 presenta un grosso potenziale nella miniaturizzazione dei sensori e per lo sviluppo e creazione in altre applicazioni nel campo dei NEMS.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/152123