2D materials for optoelectrical applications

• Thesis title in Czech: 2D materiály pro optoelektronické aplikace
• Thesis title in English: 2D materials for optoelectrical applications
• Key words: 2D materialy|Optoelektronika
• English key words: 2D materials|Optoelectronics
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Institute of Physics of Charles University (32-FUUK)
• Supervisor: RNDr. Martin Rejhon, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 08.10.2024
• Date of assignment: 08.10.2024
• Confirmed by Study dept. on: 08.10.2024
• Advisors: doc. RNDr. Jan Kunc, Ph.D.

Guidelines

1. Seznámit se s 2D materiály a jejich přípravou
2. Seznámit se důkladně s přípravou epitaxního grafenu na SiC
3. Seznámit se s metody charakterizace 2D materiálů
4. Využití optické nanolitografie pro přípravu optoelektronických zařízení na grafenu a dalších 2D struktur
5. Optimalizace optoelektronických zařízení v závislosti na atomovém uspořádání 2D struktur
6. Výsledky průběžně prezentovat na konferencích a publikovat v odborných časopisech

References

1. Bao, W., et al., Stacking-dependent band gap and quantum transport in trilayer graphene. Nature Physics, 2011. 7(12): p. 948-952.
2. Chen, G.R., et al., Evidence of a gate-tunable Mott insulator in a trilayer graphene moire superlattice. Nature Physics, 2019. 15(3): p. 237-241.
3. Chen, G.R., et al., Tunable correlated Chern insulator and ferromagnetism in a moire superlattice. Nature, 2020. 579(7797): p. 56-+.
4. Henni, Y., et al., Rhombohedral Multilayer Graphene: A Magneto-Raman Scattering Study. Nano Letters, 2016. 16(6): p. 3710-3716.
5. Kerelsky, A., et al., Moireless correlations in ABCA graphene. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2021. 118(4).

Preliminary scope of work

Ladění elektronických a optických vlastností 2D materiálů leží v srdci moderního výzkumu pro budoucí aplikace v příští generaci elektronických a optoelektronických zařízení. Nedávno byla věnována pozornost třívrstvému grafenu (TLG) jako výsledek možných laditelných vlastností v závislosti na typu uspořádání, např. polokovový pro ABA-stacked TLG s laditelným překrytím pásů a polovodič pro ABC-stacked TLG s laditelnou šířkou zakázaného pásu říeného elektrickým polem. Hlavní metodou přípravy TLG v ABC uspořádání je mechanická exfoliace s aplikací úhlu “Twistu” mezi vrstvami, což vedlo k vytvoření struktury supermřížky, která obsahuje ABA a ABC uspořádání s malými rozměry domény kolem 100 nm. Tato omezení velikosti domén a špatná reprodukovatelnost činí techniku exfoliace vhodnou pouze pro výzkumné účely. Tato práce si klade za cíl použít škálovatelnou metodu výroby vysoce kvalitního a homogenního grafenu ve velkém měřítku v ABC vrstvení na substrátu karbidu křemíku (SiC) pěstovaném sublimací křemíku k přípravě ABC vrstveného grafenu na velkých plochách. Růstové parametry budou optimalizovány pro kontrolu mechanického namáhání v grafenové mřížce. V důsledku daného napětí dojde k požadovanému uspořádání vrstev. Připravené vzorky se budou charakterizovat několika technikami, jako je Ramanova spektroskopie, AFM a další. Po zvládnutí postupu růstu se za pomoci litografie vytvoří vhodná zařízení “Hall bar” s horní hradlovou elektrodou na pro charakterizaci elektrických a optoelektrických vlastností. Tento projekt může připravit cestu pro aplikace ABC grafenu v budoucí elektronice a optoelektronice.

Preliminary scope of work in English

Tuning the electronic and optical properties of 2D materials lies at the heart of modern research for future applications in the next generation of electronic and optoelectronic devices. Recently, attention has been paid to trilayer graphene (TLG) as a result of possible tunable properties depending on the type of stacking, e.g., semimetal for ABA-stacked TLG with tunable band overlap and semiconductor for ABC-stacked TLG with tunable energy bandgap by a perpendicular field. However, the primary method of preparing the TLG in the ABC stacking order has been mechanical exfoliation with the application of a twist angle between layers, leading to the creation of the Moiré superlattice structure that contains the ABA and ABC stacking orders with small domain dimensions around 100 nm. This size limitation variation of stacking domains and poor reproducibility make the exfoliation technique suitable only for research purposes. This thesis aims to use a scalable fabrication method for high-quality and homogeneous graphene on a large scale in ABC stacking on a silicon carbide (SiC) substrate grown by silicon sublimation to prepare ABC-stacked graphene on large areas. The growing parameters will be optimized to control the mechanical strain presented in the graphene lattice. As a result of the given strain, the required stacking order will occur. Several techniques, such as Raman spectroscopy, AFM, and others, will characterize prepared samples. After mastering the growing procedure, nanolithography will prepare Hall bar devices with a top gate electrode on ABC-stacked graphene to characterize the electrical and optoeletrical properties. This project can pave the way for the applications of ABC-stacked graphene in future electronics and optoelectronics.