Jak dobrze wykorzystać defekt

Abstrakt graficzny obrazujący zachowanie sygnału fotoprądu

Abstrakt graficzny obrazujący zachowanie sygnału fotoprądu

Materiały 2D to jedna z większych nadziei współczesnej elektroniki. W badaniach dr inż. Karoliny Czerniak-Łosiewicz uwaga jest skupiona na dwuwymiarowych dichalkogenkach metali przejściowych, które mogą być wykorzystane w optoelektronice: tworzeniu fotodetektorów, pamięci lub urządzeń imitujących działanie neuronów z wykorzystaniem światła. Kluczem jest umiejętne wprowadzenie defektów strukturalnych za pomocą łagodnej obróbki plazmą.

— W nowoczesnej elektronice prym wiedzie miniaturyzacja. Użytkownicy chcą mieć jak najlepiej działające, jak najlżejsze, najcieńsze, a najlepiej także elastyczne urządzenia — mówi dr inż. Karolina Czerniak Łosiewicz z Zakładu Badań Strukturalnych. — Materiały 2D mogą pomóc w ich tworzeniu. W swoich badaniach skupiam się na dwusiarczku molibdenu (MoS2) i wolframu (WS2), które pod wpływem oświetlenia przy przyłożonym napięciu elektrycznym generują fotoprąd — wyjaśnia badaczka. Dzięki tej właściwości mogą być wykorzystane np. jako fotodetektory, zastosowań może być jednak więcej, a wszystko zależy od czasu odpowiedzi opracowanego urządzenia.

Plazma wkracza do gry

Standardowa technologia półprzewodnikowa bazuje na materiałach wielowarstwowych, które oświetlone także wytwarzają fotoprąd. Dzięki wielowarstwowości dostępne są technologie do ich modyfikacji — atomy zmieniające właściwości półprzewodnika zostają wprowadzone do materiału objętościowego, mówimy wtedy o domieszkowaniu. W przypadku materiału jednowarstwowego sytuacja się komplikuje, bo mamy do dyspozycji tylko powierzchnię materiału w związku z jego dwuwymiarową naturą. Standardowy sposób modyfikacji półprzewodników często okazuje się niszczący dla tak cienkich próbek. Trzeba więc go obejść.

W swoich badaniach Karolina Czerniak-Łosiewicz wykorzystała MoS2 i WS2 oraz metodę domieszkowania plazmą argonowo-tlenową. Co zadziało się w próbce?

— Wyobraźmy sobie, że mamy siatkę kulek molibdenu i siarki tworzących nasz materiał. Duża kulka rozpędzonego argonu, gazu niereaktywnego, uderzyła w próbkę i „wybiła” atom siarki, który w przypadku tych materiałów najłatwiej wyrzucić z sieci krystalicznej. W jego miejscu utworzyła się luka siarkowa i dzięki niej materiał jest zmodyfikowany — obrazuje nasza badaczka. — Teoretycy przewidzieli, że dzięki temu w strukturze pasmowej tworzą się dodatkowe stany. Ich obecność wpływa na to, że oświetlając próbkę generuję w niej elektrony wywołane światłem, one zaś zostają „pułapkowane” w materiale, nie mogą tak łatwo powrócić do stanu sprzed oświetlenia, więc swoją obecnością zwiększają sygnał elektryczny — dodaje.

Plazma tlenowa działa z kolei w sposób chemiczny. Tlen ma szansę wbudować się w strukturę materiału, najczęściej w miejsca po brakującej siarce. Defekty nie zawsze muszą się pojawiać w wyniku działania zewnętrznego — w przyrodzie nie ma kryształów idealnych i materiał od początku może mieć pewną liczbę luk atomowych, które tlen „zagospodaruje”.

W rezultacie działania plazmą mamy do czynienia z tymi dwoma rodzajami defektów — luki siarkowe od plazmy argonowej i intruzje tlenków w półprzewodniku na skutek plazmy tlenowej. To dzięki nim zachodzi pułapkowanie wzbudzonych światłem elektronów — poprzez dodatkowe stany w przerwie energetycznej tak zmienionego materiału.

Działanie plazmy na monowarstwę WS2 — rysunek uproszczony, schematyczna prezentacja procesu

Efekty

Modyfikacja materiału plazmą to proces losowy, ale jak najbardziej mierzalny. Autorka badań próbkę z podłączonymi urządzeniami sprawdzała w próżni i w powietrzu, zarówno przed, jak i po zastosowaniu plazmy. Uniwersytet Łódzki wykonał z kolei dodatkowe badania XPS (spektroskopia fotoelektronów przez promieniowanie rentgenowskie), żeby sprawdzić, jaka jest zawartość procentowa siarki przed i po wykorzystaniu plazmy. Zmiany w sieci krystalicznej były też obserwowane za pomocą spektroskopii Ramana. 

Okazało się, że wprowadzenie defektów strukturalnych za pomocą łagodnej obróbki plazmą argonowo-tlenową prowadzi do ponad 150-krotnego zwiększenia fotoprądu wraz z wydłużeniem czasu relaksacji, co przekłada się na lepszą jakość sygnału i mniejszy szum. Tak silny wzrost jest obserwowany w oświetleniu próbki światłem ultrafioletowym. Jest to o tyle istotne dla tego efektu, że światło o tak wysokiej energii jak w UV jest w stanie wzbudzić elektrony zarówno w materiale wyjściowym, jak i w wytworzonych plazmą defektach — intruzjach tlenku metalu przejściowego. Dzięki temu, pomimo początkowo podobnych wartości sygnału elektrycznego próbki niezmodyfikowanej, po plazmie w świetle UV fotoprąd jest dużo silniej wzmocniony niż w świetle zielonym. 

Koszt takiego wzmocnienia sygnału to odpowiedź czasowa. Sygnał elektryczny utrzymuje się w próbce modyfikowanej dłużej niż bez modyfikacji. W takim przypadku otwiera się jednak droga dla przestrajalnych zastosowań optoelektroniki 2D: pamięci, sztucznych synaps, urządzeń wykorzystujących efekt trwałego fotoprzewodnictwa.

Badania są częścią grantu realizowanego w ramach projektu NCN Preludium „Rola defektów w odpowiedzi na oświetlenie urządzeń bazujących na monowarstwach dichalkogenków metali przejściowych”. W jego ramach planowane jest również przejście do eksperymentów bazujących na modyfikacjach chemicznych.

Praca została opublikowana w czasopismie ACS Applied Materials and Interfaces (IF: 10.3).

Pełen artykuł Unraveling the Mechanism of the 150-Fold Photocurrent Enhancement in Plasma-Treated 2D TMDs można przeczytać tutaj: pubs.acs.org