Wystąpienie ustne Iaroslav Lutsyk (NEF-Pon)

BADANIE STRUKTURY ELEKTRONOWEJ HETEROSTRUKTUR GRAFEN/TMDC

Iaroslav Lutsyk¹, Paweł Dąbrowski¹, Maciej Rogala¹, Dorota Anna Kowalczyk¹, Paweł Krukowski¹, Witold Kozłowski¹, Michał Piskorski¹, Maxime Le Ster¹, Wojciech Ryś¹, Aleksandra Nadolska¹, Klaudia Toczek¹, Przemysław Przybysz¹, Rafał Dunal¹, Karol Szałowski¹, Tomasz Sobol², Ewa Partyka-Jankowska², Magdalena Szczepanik², Natalia Olszowska², Jacek Jarosław Kołodziej³, Yuji Kuwahara⁴, Paweł Kowalczyk¹

¹ Uniwersytet Łódzki, Pomorska 149/153, 90236 Łódź, Polska
² Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS, Czerwone Maki 98, 30-392 Kraków, Polska
³ Uniwersytet Jagielloński - Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS, ul. Łojasiewicza 11, 30-348 Kraków, Polska
⁴ Uniwersytet Osakijski, 2-1 Yamada-oka, 565-0871 Osaka, Japan

Dichalkogenki metali przejściowych (ang. transition metal dichalcogenides – TMDCs) należą do klasy materiałów charakteryzujących się wieloma niespotykanymi w innych układach właściwościami, co prowadzi do ich potencjalnych zastosowań w elektronice i spintronice. Ze względu na swoją warstwową budowę, ta grupa materiałów może być stosowana jako element heterostruktur z innymi układami dwuwymiarowymi, np. z grafenem. W rezultacie oczekuje się, że w takich hybrydowych materiałach pojawią się nowe właściwości, które związane są ze złożonymi zjawiskami występującymi na granicy warstw.

Głównym celem prezentowanych badań było zbudowanie heterostruktur grafen/TMDC i przeprowadzenie analizy ich własności elektronowych. Najistotniejsze było zbadanie wzajemnego oddziaływania obu komponentów i oszacowanie wpływu tego oddziaływania na właściwości grafenu i TMDC.

W tym celu zbudowano i scharakteryzowano dwa typy heterostruktur opartych na TMDC (1T-TaS₂, T_d-WTe₂)i grafenie – grafen/TMDC oraz TMDC/grafen/SiC. Dla hybrydy typu 1T-TaS₂/grafen/SiC opracowano dodatkowo wydajną metodę identyfikacji warstw 1T-TaS₂ za pomocą pomiarów KPFM, co jednocześnie umożliwiło analizę procesu utleniania 1T-TaS₂. Wykazano także że ostrze STM, pozwala na selektywne usunięcie zanieczyszczeń z powierzchni 1T-TaS₂. Badania LT-STM przeprowadzone w środowisku ultra wysokiej próżni (UHV) pozwoliły na analizę cienkich płatków 1T-TaS₂, w tym także tych o grubości pojedynczej warstwy.

Z kolei drugi typ badanych układów grafen/1T-TaS₂ oraz grafen/T_d-WTe₂ są unikalnymi, heterostrukturami, które umożliwiły wykonanie pomiarów zarówno w skali makro, jak i nanometrowej. Po raz pierwszy zbadano strukturę elektronową takiego układu za pomocą ARPES, dowodząc, że TMDC i grafen zachowują swoje podstawowe właściwości. Dodatkowo, ze względu na efekt bliskości występujący w heterostrukturze, obserwuje się p-domieszkowanie grafenu. Pokazuje to, że oddziaływanie wewnątrz hybrydy należy traktować jako czynnik regulujący właściwości układu, a nie niszczący je, co nie było wcześniej jasne dla struktury grafen/TMDC. Ponadto, tego typu układy mają duży potencjał badawczy w kierunku efektów twistronicznych, na co wskazują nasze wstępne badania STM.

Przedstawione badania były finansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektów: 2019/32/T/ST3/00487, 2015/19/B/ST3/03142, 2018/31/B/ST3/02450.