Thermal and photoinduced transport in 2D materials

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-433964
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.43396

Blanter, Sofia

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Date of publication of this fulltext: 15 Jun 2021 06:22

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	15 June 2021
Referee:	Prof. Dr. Christoph Strunk
Date of exam:	9 June 2020
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Weiss > Group Christoph Strunk
Keywords:	thermal transport, 2D materials, physics, nanotechnology
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	43396

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Abstract (English)

Abstract (English)

The discovery of graphene has opened a new field of 2D materials. Those layered materials can be easily exfoliated down to a few-layer form and show remarkable physical properties, not present in their bulk counterpart. Yet many of them are still uncharacterised, despite the growing need for novel materials in the modern small-size electronic devices.
In this thesis we characterise the optoelectronic properties of a few-layer In2Se3 bases phototransducer. We study the current in dark and under illumination and determine the dominant photocurrent generating mechanism at different gate volt- ages. We find that this mechanism can be tuned: from the photoconduction in the OFF state to the photogating in the ON state. We measure a responsivity of 100 A/W in the ON state at a small bias voltage of 50 mV, and a detectivity of 3·1013 Jones. Those high values make In2Se3 a good candidate for future optoelectronic applications.
We also characterise the thermal properties of four few-layer suspended h-BN flakes. We introduce a new method for measuring the thermal properties of the 2D materials by modifying the 3ω method and adding a thermometer at the edge of the suspended flake. We measure the thermal conductivity and the thermal diffusivity of h-BN independently. We obtain values of thermal conductivity in the order of 100 W m-1 K-1, which is in agreement with the literature. We calculate the phonon mean free path to be 80 nm for 50 K and 8.5 nm for 250 K, and find that its temperature de- pendence is dominated by the umklapp scattering mechanism. We confirm our find- ings with a 2D COMSOL simulation at zero frequency. We use the high-frequency part (200 Hz < f < 1000 Hz) of our phase shift curves to calculate the thermal diffu- sivity values of our samples. We obtain values of thermal diffusivity of 1 mm2/s, which is three to four orders lower than the literature values. We can only partly reproduce our phase shift measurements with a 1D diffusion model, which suggests that we are observing a different type of thermal transport than purely diffusive in our phase shift measurements.

Translation of the abstract (German)

Die Entdeckung von Graphen hat ein neues Feld von 2D-Materialien eröffnet. Diese Schichtmaterialien lassen sich leicht bis auf wenige Schichten abblättern und weisen bemerkenswerte physikalische Eigenschaften auf, die bei ihrem 3D-Pendant nicht vorhanden sind. Dennoch sind viele von ihnen noch immer nicht charakter- isiert, trotz des wachsenden Bedarfs an neuartigen Materialien in den modernen elektronischen Kleingeräten.
In dieser Arbeit charakterisieren wir die optoelektronischen Eigenschaften eines mehrschichtigen In2Se3-Basis-Photowandlers. Wir untersuchen den Strom im Dunkeln und unter Beleuchtung und bestimmen den dominanten Erzeugungsmechanismus des Photostroms bei verschiedenen Gatterspannungen. Wir stellen fest, dass dieser Mechanismus abstimmbar ist: von der Photoleitung im AUS-Zustand bis zum Pho- togating im EIN-Zustand. Wir messen eine Empfindlichkeit von 100 A/W im EIN- Zustand bei einer kleinen Vorspannung von 50 mV und einer Detektivität von 3·1013 Jones. Diese hohen Werte machen In2Se3 zu einem guten Kandidaten für zukünftige optoelektronische Anwendungen.
Wir charakterisieren auch die thermischen Eigenschaften von vier dünnschichtig aufgehängten h-BN-Flocken. Wir führen eine neue Methode zur Messung der ther- mischen Eigenschaften der 2D-Materialien ein, indem wir die 3ω-Methode modi- fizieren und ein Thermometer am Rand der aufgehängten Flocke hinzufügen. Wir messen die Wärmeleitfähigkeit und das thermische Diffusionsvermögen von h-BN unabhängig voneinander. Wir erhalten Werte der Wärmeleitfähigkeit in der Größenord- nung von 100 W m-1 K-1, was mit der Literatur übereinstimmt. Wir berechnen die mittlere freie Weglänge der Phononen für 50 K auf 80 nm und für 250 K auf 8,5 nm und stellen fest, dass die Temperaturabhängigkeit von h-BN durch den Mech- anismus der Umklapp-Streuung dominiert wird. Wir bestätigen unsere Ergebnisse mit einer 2D-COMSOL-Simulation bei Nullfrequenz. Wir verwenden den Hochfre- quenzteil (200 Hz < f < 1000 Hz) unserer Phasenverschiebungskurven, um die Tem- peraturleitfähigkeitswerte unserer Proben zu berechnen. Wir erhalten Wärmediffu- sionsvermögenswerte von 1 mm2/s, die um drei bis vier Ordnungen niedriger sind als die Literaturwerte. Wir können unsere Phasenverschiebungsmessungen nur teil- weise mit einem 1D-Diffusionsmodell reproduzieren, was darauf hindeutet, dass wir bei unseren Phasenverschiebungsmessungen eine andere Art des Wärmetrans- ports beobachten als einen rein diffusiven.

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