Following the discovery of graphene, two-dimensional materials became one of the most researched topics in material science; among them, the family of semiconductive transition metal dichalcogenides attracted a lot of attention thanks to the possibility of tuning their electronic and optical properties by controlling their thickness, synthesis process and structural architecture. The aim of this thesis is to explore the potential of pulsed laser deposition to produce single-layer molybdenum disulphide, tungsten disulphide, and their vertical heterostructures on metallic substrates. This technique, although very promising in terms of film quality and industrial scalability, has been only recently utilized in the framework of two-dimensional materials, thus not much information is currently available in literature. The morphological and electronic properties of the obtained materials were investigated in situ through scanning tunneling microscopy and spectroscopy; their vibrational and optical features were instead characterized ex situ by Raman and photoluminescence spectroscopy. The combined results allowed to examine their growth process, to understand the relation between coverage and control parameters, and to shed light on the effects generated by the interactions with the metallic substrates.

A seguito della scoperta del grafene, la popolarità dei materiali bidimensionali è fortemente aumentata in molti campi di ricerca relativi alla scienza dei materiali. Tra i maggiori esponenti, la famiglia dei dicalcogenuri dei metalli di transizione spicca grazie alla possibilità di modificare con precisione le loro proprietà elettroniche ed ottiche attraverso il controllo del loro spessore, del processo di sintesi e dell'architettura complessiva delle loro nanostrutture. Il principale obiettivo di questo progetto di tesi è esplorare le potenzialità dell'ablazione a laser pulsato per la produzione di monolayer di solfuro di molibdeno e di tungsteno, nonché delle loro eterostrutture verticali, su substrati metallici. Questa tecnica, seppur molto promettente in termini di qualità e scalabilità, è stata impiegata solo recentemente allo scopo di sintetizzare materiali bidimensionali, pertanto le informazioni reperibili in letteratura sono al momento molto limitate. Le proprietà morfologiche ed elettroniche delle nanostrutture prodotte sono state esaminate in situ tramite microscopia e spettroscopia a effetto tunnel; successivamente, gli stessi campioni sono stati sottoposti a caratterizzazione vibrazionale ed ottica con spettroscopia Raman ed esperimenti di fotoluminescenza. I risultati ottenuti hanno dunque permesso di studiarne il processo di crescita, di comprendere la relazione tra il ricoprimento e i parametri di deposizione, nonché di chiarire la natura dell'interazione con i substrati metallici ed i suoi effetti.

In situ scanning tunneling microscopy and Raman spectroscopy of two-dimensional transition metal dichalcogenides grown by pulsed laser deposition

D'AGOSTA, PAOLO
2019/2020

Abstract

Following the discovery of graphene, two-dimensional materials became one of the most researched topics in material science; among them, the family of semiconductive transition metal dichalcogenides attracted a lot of attention thanks to the possibility of tuning their electronic and optical properties by controlling their thickness, synthesis process and structural architecture. The aim of this thesis is to explore the potential of pulsed laser deposition to produce single-layer molybdenum disulphide, tungsten disulphide, and their vertical heterostructures on metallic substrates. This technique, although very promising in terms of film quality and industrial scalability, has been only recently utilized in the framework of two-dimensional materials, thus not much information is currently available in literature. The morphological and electronic properties of the obtained materials were investigated in situ through scanning tunneling microscopy and spectroscopy; their vibrational and optical features were instead characterized ex situ by Raman and photoluminescence spectroscopy. The combined results allowed to examine their growth process, to understand the relation between coverage and control parameters, and to shed light on the effects generated by the interactions with the metallic substrates.
TUMINO, FRANCESCO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
2-ott-2020
2019/2020
A seguito della scoperta del grafene, la popolarità dei materiali bidimensionali è fortemente aumentata in molti campi di ricerca relativi alla scienza dei materiali. Tra i maggiori esponenti, la famiglia dei dicalcogenuri dei metalli di transizione spicca grazie alla possibilità di modificare con precisione le loro proprietà elettroniche ed ottiche attraverso il controllo del loro spessore, del processo di sintesi e dell'architettura complessiva delle loro nanostrutture. Il principale obiettivo di questo progetto di tesi è esplorare le potenzialità dell'ablazione a laser pulsato per la produzione di monolayer di solfuro di molibdeno e di tungsteno, nonché delle loro eterostrutture verticali, su substrati metallici. Questa tecnica, seppur molto promettente in termini di qualità e scalabilità, è stata impiegata solo recentemente allo scopo di sintetizzare materiali bidimensionali, pertanto le informazioni reperibili in letteratura sono al momento molto limitate. Le proprietà morfologiche ed elettroniche delle nanostrutture prodotte sono state esaminate in situ tramite microscopia e spettroscopia a effetto tunnel; successivamente, gli stessi campioni sono stati sottoposti a caratterizzazione vibrazionale ed ottica con spettroscopia Raman ed esperimenti di fotoluminescenza. I risultati ottenuti hanno dunque permesso di studiarne il processo di crescita, di comprendere la relazione tra il ricoprimento e i parametri di deposizione, nonché di chiarire la natura dell'interazione con i substrati metallici ed i suoi effetti.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/167503