Caracterització optoelectrònica de materials bidimensionals a altes freqüencies

Abstract

Two-dimensional materials have a lot of applications in the electronic and photonic device design field, especially when they need to be flexible and transparent. In particular, high frequency applications, above 100MHz, are promising because of its unique optoelectronic properties. In addition, due to their low dimensionality, to obtain, handle and characterise the properties of these materials is challenging, especially when several layers of different materials are combined in a single heterostructure. The main objective of this research is to apply and to compare some high-frequency optoelectronic charac-terization techniques on two-dimensional materials. Specifically, graphene, MoS2 and WS2, on different substrates and heterostructures composed by graphene/MoS2 and graphene/WS2 are analysed. Samples of compacted two-dimensional materials, without substrate, such as graphene oxide, reduced graphene oxide and compacted carbon nanotubes (buckypaper) are also analysed. Raman spectroscopy is used in order to ensure the two-dimensionality of the samples and to analyse their structural properties. The surface conductivity of the samples and their transmittance between 200 GHz and 1.5 THz are analysed by terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) in a transmission setup and also by using a setup based on a Michelson interferometer. A rutile dielectric resonator is used to analyse the surface resis-tance at the resonance frequency, around 10GHz, of compacted materials’ samples. Finally, FTIR and optical spectroscopies are used to obtain the transmittance of the heterostructures with respect to the individual layers in near-infrared, visible and near-ultraviolet ranges. The values obtained are in good agreement with the nature and composition of the samples and it is confirmed that the techniques are non-destructive and that they allow the extraction of information about quality, optical transmittance and surface conductivity of the conductive and semi-conductive samples. THz-TDS allows performing a measurement of conductivity without electrical contacts in two-dimensional materials and it is sensitive enough to detect differences in similar materials or in heterostructures made by two different layers of materials.

Els materials bidimensionals presenten innumerables aplicacions en l’àmbit del disseny de dispositius electrònics i fotònics, especialment quan els dispositius han de ser flexibles i transparents. En particular, les aplicacions a altes freqüències, per sobre dels 100MHz, són prometedores per les seves propietats optoelectròniques singulars. D’altra banda, per la seva baixa dimensionalitat, l’obtenció, la manipulació i la caracterització de les propietats d’aquests materials és tot un repte, especialment quan es combinen diverses capes de diferents materials. L’objectiu principal d’aquest estudi és, doncs, aplicar i comparar diverses tècniques de caracterització optoelectrònica a altes freqüències en mostres de materials bidimensionals. Concretament, s’analitzen mostres de grafè, MoS2 i WS2, sobre diferents substrats, i heteroestructures formades per grafè/MoS2 i grafè/WS2. També s’analitzen mostres de materials bidimensionals compactats, sense substrat, com l’òxid de grafè, l’òxid de grafè reduït i nanotubs de carboni compactats (buckypaper). Per assegurar la naturalesa bidimensional de les mostres i analitzar-ne les propietats estructurals, s’utilitza l’espectroscòpia Raman. La conductivitat superficial de les mostres i la transmitància entre 200 GHz i 1,5 THz s’analitza mitjançant espectroscòpia en el domini temporal en el rang dels THz (THz-TDS) en configuració de transmissió i també amb una variant basada en un interferòmetre de Michelson. Mitjançant un ressonador dielèctric de rútil s’analitza la resistència superficial a la freqüència de ressonància, al voltant de 10 GHz, de les mostres de materials compactats. Finalment, mitjançant les espectroscòpies FTIR i òptica, s’analitza la transmitància de les heteroestructures respecte de les capes individuals en els rangs corresponents a l’infraroig proper, el visible i l’ultraviolat proper. Les propietats obtingudes són coherents amb la naturalesa i la composició de les mostres i es constata que les tècniques són no destructives i que permeten extreure informació de la qualitat, la transmitància òptica i la conductivitat superficial de les mostres conductores i semiconductores. El mètode dels THz-TDS permet una mesura de la conductivitat sense contactes elèctrics en materials bidimensionals, prou sensible per detectar diferències en materials semblants o en heteroestructures formades per dues capes de materials diferents.

Los materiales bidimensionales presentan innumerables aplicaciones en el ámbito del diseño de dispositivos electrónicos y fotónicos, especialmente cuando los dispositivos deben ser flexibles y transparentes. En particular, las aplicaciones a altas frecuencias, por encima de los 100 MHz, son prometedoras por sus propiedades optoelectrónicas singulares. Por otro lado, debido a su baja dimensionalidad, la obtención, manipulación y caracterización de las propiedades de estos materiales es un reto, especialmente cuando se combinan varias capas de distintos materiales. El objetivo principal de este estudio es aplicar y comparar distintas técnicas de caracterización optoelectrónica a altas frecuencias de muestras de materiales bidimensionales. Concretamente, se analizan muestras de grafeno, MoS2 y WS2, sobre varios sustratos, y heteroestructuras formadas por grafeno/MoS2 y grafeno/WS2. También se analizan muestras de materiales bidimensionales compactados, sin sustrato, como el óxido de grafeno, el óxido de grafeno reducido y nanotubos de carbono compactados (buckypaper). Para asegurar la naturaleza bidimensional de las muestras y analizar sus propiedades estructurales, se utiliza espectroscòpia Raman. La conductividad superficial de las muestras y su transmitancia entre 200 GHz y 1,5 THz se analiza mediante espectroscopia en el dominio temporal en el rango de los THz (THz-TDS) en configuración de transmisión y también con una variante basada en un interferómetro de Michelson. Mediante un resonador dieléctrico de rutilo se analiza la resistencia superficial a la frecuencia de resonancia, alrededor de 10 GHz, de las muestras de materiales compactados. Finalmente, mediante espectroscopias FTIR y óptica, se analiza la transmitancia de las heteroestructuras respecto de las capas individuales en los rangos correspondientes al infrarrojo cercano, el visible y el ultravioleta cercano. Las propiedades obtenidas son coherentes con la naturaleza y la composición de las muestras y se constata que las técnicas son no destructivas y que permiten obtener información de la calidad, la transmitancia óptica y la conductividad superficial de las muestras conductoras y semiconductoras. El método THz-TDS permite una medida de conductividad sin contactos eléctricos en materiales bidimensionales, suficientemente sensible como para detectar diferencias en materiales parecidos o en heteroestructuras formadas por dos capas de materiales diferentes.