Layered Two-Dimensional Heterostructures and Their Tunneling Characteristics

این پایان‌نامه نشان می‌دهد که ساختارهای ناهمگون لایه‌ای از کریستال‌های دوبعدی گرافن، نیترید بور شش ضلعی، و دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه، پدیده‌های حمل و نقل بین لایه‌ای جدید و جالبی را ارائه می‌دهند. میکروسکوپ الکترونی کم انرژی برای مطالعه سطح WSe2 نازک اتمی تهیه شده توسط رسوب بخار شیمیایی فلزی-آلی بر روی بسترهای گرافن همپایی استفاده می شود و روشی برای اندازه گیری بدون ابهام تعداد لایه های اتمی ارائه شده است. با استفاده از الکترون‌های بسیار کم انرژی برای بررسی سطح ناهم‌ساختارهای مشابه، رابطه بین تفاوت‌های تابع کار استخراج‌شده از لایه‌ها و ماهیت تماس الکتریکی بین آنها آشکار می‌شود. گسترش این تجزیه و تحلیل برای مطالعات سطحی MoSe2 تهیه شده توسط اپیتاکسی پرتو مولکولی بر روی گرافن اپیتاکسیال اعمال می شود. یک تفاوت تابع کاری بزرگ بین MoSe2 و گرافن اندازه‌گیری می‌شود و مدلی ارائه می‌شود که نشان می‌دهد این مشاهدات ناشی از یک چگالی نقص استثنایی در فیلم MoSe2 است. این پایان نامه نظریه ای را برای محاسبه جریان های تونل زنی بین کریستال های دو بعدی که توسط یک مانع عایق نازک از هم جدا شده اند، بیان می کند. چند موقعیت که منجر به ایجاد تونل رزونانس و مقاومت دیفرانسیل منفی می شود با مثال های محاسبه شده و همچنین ویژگی های مشاهده شده برای اتصالات و ترانزیستورهای تونل گرافن تک لایه و دولایه نشان داده شده است.

This thesis demonstrates that layered heterostructures of two-dimensional crystals graphene, hexagonal boron nitride, and transition metal dichalcogenides provide new and interesting interlayer transport phenomena. Low-energy electron microscopy is employed to study the surface of atomically thin WSe2 prepared by metal-organic chemical vapor deposition on epitaxial graphene substrates, and a method for unambiguously measuring the number of atomic layers is presented. Using very low-energy electrons to probe the surface of similar heterostructures, a relationship between extracted work function differences from the layers and the nature of the electrical contact between them is revealed. An extension of this analysis is applied to surface studies of MoSe2 prepared by molecular beam epitaxy on epitaxial graphene. A large work function difference is measured between the MoSe2 and graphene, and a model is provided which suggests that this observation results from an exceptional defect density in the MoSe2 film. The thesis expounds a theory for computing tunneling currents between two-dimensional crystals separated by a thin insulating barrier; a few situations resulting in resonant tunneling and negative differential resistance are illustrated by computed examples, as well as observed characteristics, for monolayer and bilayer graphene tunneling junctions and transistors.