Straintronic photodetectors based on 2D materials

Abstract

[EN] The world suffered an enormous revolution thanks to the emergence of the electronics; nowadays, our lives are surrounded by electronic devices that make them easier. Since the first fabrication of a transistor (the base the most common electronic devices) in 1947, electronics is been improving its performance by adding more elements to the electronic devices. In order to maintain the level of improvement, the size of the components included in the electronic devices decreased, which have led to difficulties during the last years. Researchers are looking for different strategies to continue the enhancement of electronics, among which is the study of new materials like 2D semiconductors. Likewise, another proposed idea is including more tuning knobs in the components, which would increase the functionality of each component. The different options for increasing the responses of the components include the control of different properties (degrees of freedom) of the device through control the valey or spin polarization or applying external deformations leading to valleytronics, spintronics, straintronics respectively. The main aim of this thesis is the development of a proof-of-concept straintronic device, which would proof the viability of this technique to keep the electronic progress. Thus, this device is fabricated with a new semiconductor, which allows us to fabricate this type of device unlike silicon (Si). This new material is a 2D semiconductor from the transition metal dichalcogenides (TMDCs) family, MoS2. Due to the special characteristics of 2D materials, the techniques used for studying and manipulating them are different from the common methods used in 3D semiconductor industry. So, we introduce the optical techniques that allow us to characterize the optical properties of these materials. Some of them, like Raman and photoluminescence spectroscopies, are well spread in the material science world while some others are used specifically in 2D materials. All the different optical methods used along the thesis are presented in Chapter 2, where the details for studying the TMDCs family are included. The different steps and methods used for electrically contact and measure these materials are explained in Chapter 3. Here, the steps of the different processes are presented with the options available depending on the needs of the experiment. Moreover, one technique developed during the thesis which allows to minimize the number of steps is explained in this Chapter. In Chapter 4, we fabricate several MoS2 simple photodetector devices which can be strained. These photodetectors show an optoelectrical response to the strain, which is the mayor goal of this thesis. Different experiments prove the reliability of this new design for electronic components. The results achieved in the last Chapter open a new path for researching this type of devices. As mentioned, the new design will allow to have components with higher functionalities and the use of 2D materials solve some of the issues lately found in the electronics industry. Moreover, the 2D devices can be mixed with the current Si technology, for improving the performance of the electronic devices. Thus, new concept devices would keep the improvement race in the electronic world.

[ES] El mundo sufrió una gran revolución cuando la electrónica hizo su aparición; hoy en día, nuestras vidas están rodeadas de dispositivos electrónicos, los cuáles las hacen más fáciles. Desde la fabricación del primer transistor (la base de todos los dispositivos electrónicos) en 1947, la electrónica ha continuado mejorando su rendimiento mediante la agregación de más componentes en los dispositivos electrónicos. Para ser capaces de seguir con la optimización y aumento de componentes, el tamaño de estos disminuyó, lo que ha venido provocando dificultades durante los últimos años. Los investigadores están buscando diferentes estrategias para continuar con la mejora de los dispositivos electrónicos, entre los cuales se encuentran el estudio de nuevos materiales como los semiconductores 2D. Asimismo, otra idea propuesta para mejorar estos dispositivos es incluir más funcionalidades en los componentes, lo que aumentará las respuestas de cada uno de ellos. Las diferentes opciones que permitirían variar y aumentar el número de respuestas de los componentes incluyen el control de diferentes propiedades del dispositivo a través de la valetrónica, espintrónica o deformatrónica. El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de un ejemplo de dispositivo deformatrónico, que demostrará la viabilidad de esta técnica para mantener el progreso electrónico. Así, este dispositivo se fabricará con un nuevo semiconductor, el cual nos permite conseguir este tipo de dispositivo a diferencia del silicio (Si). Este nuevo material es un semiconductor 2D de la familia de los dicalcogenuros de metales de transición (TMDCs), el MoS2. Debido a las características especiales de los materiales 2D, las técnicas utilizadas para estudiarlos y manipularlos son diferentes de los métodos comúnmente utilizados en la industria de semiconductores 3D. Por lo tanto, es necesario que presentemos las técnicas ópticas que nos permiten caracterizar las propiedades ópticas de estos materiales. Algunas de ellas, como las espectroscopias Raman y de fotoluminiscencia, son bien conocidas en el mundo de la ciencia de los materiales, mientras que otras se usan específicamente en materiales 2D. Los diferentes métodos ópticos utilizados a lo largo de la tesis se presentan en el Capítulo 2, donde se incluyen los detalles para el estudio de la familia de los TMDCs. Del mismo modo, los diferentes pasos y métodos utilizados para el contacto eléctrico y la medición de estos materiales se explican en el Capítulo 3. Aquí, los pasos del proceso de fabricación y medida se presentan con las diferentes opciones disponibles para llevarlos a cabo dependiendo de las necesidades. Por último, en este capítulo se explica una técnica desarrollada durante la tesis que permite minimizar el número de pasos del proceso. Toda esta información sobre las técnicas y métodos ópticos y eléctricos utilizados durante el trabajo nos facilita la presentación y compresión de los estudios realizados en los dispositivos deformatrónicos de MoS2. En el Capítulo 4, fabricamos varios dispositivos de geometría sencilla de MoS2, fotodetectores, que pueden ser sometidos a deformaciones. Estos fotodetectores muestran diferencias en su respuesta ante la deformación, que es el objetivo principal de esta tesis. Diferentes experimentos demuestran la fiabilidad y adecuación de este nuevo diseño para su inclusión como componentes electrónicos. Los resultados obtenidos en el último capítulo abren un nuevo camino para investigar este tipo de dispositivos. Como se mencionó anteriormente, el nuevo diseño permitirá tener componentes con mayor funcionalidad y el uso de materiales 2D resolverá algunos de los problemas encontrados recientemente en la industria electrónica. Además, los dispositivos 2D se pueden combinar con la tecnología del Si actual para mejorar el rendimiento de los dispositivos electrónicos. Por lo tanto, este nuevo concepto de dispositivo permitirá mantener la carrera en el progreso de la electrónica.