- GND
- 1310092117
- LSF ID
- 61290
- ORCID
-
0000-0003-2844-1134
- Other
- connected with university
- GND
- 1227773390
- LSF ID
- 10367
- ORCID
-
0000-0002-5785-1186
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Abstract in German:
In dieser Arbeit wird der Einfluss der Bestrahlung mit hochgeladenen Ionen auf die opto-elektronischen Eigenschaften von Bauelementen, basierend auf 2D-Materialien, untersucht. Es werden Feldeffekttransistoren (FETs) mit Monolagen Molybdändisulfid (MoS2) und dünnen Schichten schwarzen Phosphors (black phosphorus, kurz: bP) als Kanalmaterial betrachtet und zusätzlich zwei auf diesen FETs basierende Anwendungen, der nicht-volatile Speicher und der Phototransistor, diskutiert. Das Ziel dieser Arbeit ist, festzustellen, welchen Einfluss die Bestrahlung auf die Eigenschaften der FETs hat und, inwiefern sich die für die jeweiligen Anwendungen relevanten Eigenschaften durch die Ionenbestrahlung gezielt manipulieren und einstellen lassen. Außerdem sollen die beobachteten Modifikationen auf spezifische Defekttypen und Mechanismen zurückgeführt werden. Für FETs mit sowohl Monolagen MoS2 als auch dünnen Schichten bP als Kanalmaterial werden starke Modifikationen der elektrischen Eigenschaften, wie der Leitfähigkeit, der Ladungsträgerbeweglichkeit und der Dotierung, in Folge der Bestrahlung mit Xe30+-Ionen mit einer kinetischen Energie von 180 keV beobachtet. Diese Effekte lassen sich auf eine Kombination aus durch die Bestrahlung induzierte Defekte in den 2D-Materialien selbst und im darunterliegenden SiO2-Substrat zurückführen. Außerdem führt die Bestrahlung zu einer Vergrößerung der in der Transfer-Charakteristik der FETs auftretenden Hysterese, was gleichbedeutend mit einer Vergrößerung des Speicherfensters der nicht-volatilen Speicher auf Basis der 2D-FETs ist. Dieser Effekt wird durch zusätzliche durch die Bestrahlung erzeugte Defekte im SiO2-Substrat hervorgerufen. Zusätzlich werden die opto-elektronischen Eigenschaften der FETs, wie die Photostromerzeugung, in Abhängigkeit von der Bestrahlung mit Xe30+-Ionen mit einer kinetischen Energie von 180 keV untersucht. Für MoS2-FETs wird eine Abnahme des Photostroms mit zunehmender Bestrahlungsfluenz beobachtet. Gleichzeitig werden die Zeitkonstanten der zeitaufgelösten Photostrommessungen, also die zeitliche Reaktion des Photostroms auf den Lichteinfall, durch die Bestrahlung verlängert. Es wird gezeigt, dass der MoS2-FET nach der Bestrahlung als opto-elektronischer Speicher verwendet werden kann. Für bP-FETs wird für die niedrigste Bestrahlungsfluenz eine Zunahme des Photostroms beobachtet. Dieses Verhalten wird auf einen verstärkten Photogating-Effekt in Folge der Zunahme der Dichte an Defekten innerhalb der Bandlücke des bPs zurückgeführt. Abschließend wird mithilfe einer Autokorrelationsmessung gezeigt, dass die Photoladungsträgerlebensdauer in bP-FETs durch eine Zunahme der Shockley-Read-Hall Rekombination in Folge der Ionenbestrahlung bis auf (189 ± 4) ps reduziert werden kann.
Abstract in English:
This work explores the influence of the irradiation with highly charged ions on the opto-electronic properties of devices, based on 2D-materials. Field-effect transitors (FETs) utilizing monolayers of molybdenum disulfide (MoS2) and black phosphorus(bP) as channel materials are analyzed and two applications based on these FETs, namely a non-volatile memory device and the phototransistor, are discussed. The goal of this work is to assess the influence of the irradiation on the properties of the FETs and wether the defect creation by the ion irradiation can be used to deliberately manipulate and adjust the particular properties of the two applications. Furthermore this work aims to determine the specific defect type and mechanisms responsible for the observed modifications. There are strong modifications of the electrical properties like conductance, charge carrier mobility and doping of the FETs with monolayer MoS2 and bP as channel material, due to the irradiation with Xe30+ ions with a kinetic energy of 180 keV. These modifications can be explained by a combination of irradiation induced defects in the 2D-material itself and the underlying SiO2 substrate. Additionally, the irradiation leads to an increase in the height and width of the hysteresis, which can be observed in the transfer characteristic of the devices. This is equivalent to improved memory properties because of an inceased memory window and is explained by additional defects introduced in the underlying SiO2 substrate. Furthermore the influence of the irradiation with Xe30+ ions with a kinetic energy of 180 keV on the opto-electronic properties, like the photocurrent generation, are investigated. In the case of the MoS2 FET there is a decrease in photocurrent generation observable. The time response of the photocurrent to the illumination is prolonged by the ion irradiation and it is demonstrated that the MoS2 FET can be used as an opto-electronic memory after the irradiation. In contrast, for bP FETs, an increase in photocurrent generation is observed for the lowest irradiation fluence. This is explained by an increased density of defects in the bandgap of bP which contribute to an increased photogating effect. Finally, it is verified by the means of an autocorrelation measurement, that the photocarrier lifetime in bP FETs can be reduced to (189±4) ps due to increased Shockley-Read-Hall recombination because of the irradiation.