Strain engineering of 2D semiconductors

Departamento de Física de la Materia Condensada, Nanociencia y Biofísica (UAM).[EN] Strain engineering is a powerful tool that can be used to tune the optical and electronic properties of two-dimensional semiconductors such as TMDCs through the deformation of these materials. In this thesis I provide a whole description of the necessary details to perform optical measurements in function of the strain on two-dimensional materials like MoS2, MoSe2, WS2 or WSe2 by using experimental methods like micro-reflectance spectroscopy, photoluminescence and Raman spectroscopy. In the course of the thesis manuscript, I describe all the details that are needed for the calibration steps that will be useful for knowing the applied strain in the different experimental setups assembled in this work. Both for the method used for the application of uniaxial strain (by using the three-point flexural method on a polymer with a rectangular shape) and for the biaxial strain, thermal (through the thermal expansion of a polymer substrate) or mechanical (by bending a cruciform polymer substrate). In addition, I present a comparison to experimentally verify, as many theoretical works predict, that biaxial strain provides a more efficient way to tune the optical properties of MoS2 as compared with the uniaxial strain. In fact, we find that biaxial strain tunability or gauge factor is 2.3 times larger than the uniaxial strain gauge factor. I also show the behavior of the interlayer exciton in MoS2 flakes under the effect of the application of biaxial strain by using the thermal expansion method, finding that the gauge factor for this unconventional excitonic state is larger than the obtained for the A and B excitons. Moreover, the use of this method to apply strain will be crucial for the fabrication of microheaters that present a negligible thermal drift and a low time response. Some two-dimensional materials are air-sensitive materials and an inert atmosphere is necessary to manipulate them. That is the reason why I include an appendix in this thesis where I explore the use of a glove-less anaerobic chamber, a tool much more simple and convenient than a regular glove box for the effortless exfoliation and manipulation of the two-dimensional materials. Then I test the efficiency by comparing the stability of some air-sensitive materials such as black phosphorous or perovskites inside and outside the glove-less anaerobic chamber. Finally, I present another appendix where I show a method to fabricate large regions of atomically thin MoS2 layers through the sulfuration of MoO3. Areas of up to 300 × 300 μm2 with 2-4 layers in thickness are obtained. In addition, this layers are characterized by various techniques such as Raman spectroscopy, X-ray diffraction, transmission electron microscopy and electronic transport measurements, also finding a noticeable p-type behavior.[ES] La ingeniería de deformación es una potente herramienta que se puede emplear para modificar las propiedades tanto ópticas como electrónicas de semiconductores bidimensionales tal y como pueden ser los TMDCs por medio de la deformación de estos materiales. En esta tesis proporciono una descripción de todos los detalles para poder realizar medidas ópticas en función de la deformación, tanto uniaxial como biaxial, de materiales bidimensionales como el MoS2, MoSe2, WS2 o el WSe2, empleando métodos como la espectroscopía de micro-reflectancia, fotoluminiscencia y espectroscopía Raman. A lo largo de este manuscrito, también mostraré en detalle el método de calibración directa que nos indicará la cantidad de deformación aplicada para los distintos montajes experimentales que se han desarrollado a lo largo de esta tesis, tanto para el método empleado para la aplicación de deformación uniaxial (por medio del uso del método de flexión de tres puntos sobre un polímero con forma rectangular) como el usado para realizar deformación biaxial por expansión térmica (esta deformación se logra aprovechando la expansión térmica de un substrato de polímero al incrementar la temperatura) o mecánicamente (por medio de la deformación de un polímero que hace la función de substrato con forma de cruz). Además, realizo una comparativa con la que, tal y como muchos trabajos teóricos predicen, verifico experimentalmente la mayor eficiencia de la deformación biaxial mecánica frente a la deformación uniaxial con el fin de modificar la estructura de bandas del MoS2, encontrando un factor de calibre 2.3 veces mayor al aplicar deformación biaxial frente a la deformación uniaxial. También expongo cuál es el comportamiento del excitón de inter-capa al someter a copos de MoS2 a deformación biaxial por medio del método de expansión térmica, encontrando que el factor de calibre obtenido para este excitón es superior al de los excitones A y B. Además, el uso de este mismo método para la aplicación de deformación será clave para la fabricación de calefactores microscópicos con los que se obtiene una deriva térmica despreciable, así como una baja respuesta temporal. Algunos materiales bidimensionales son sensibles al aire y se necesita una atmósfera inerte para poder manipularlos. Por esta razón, en esta tesis también incluyo un anexo en el que exploro el uso de una cámara anaeróbica sin guantes, la cual es mucho más simple y conveniente que una cámara de guantes típica debido a que la exfoliación y la manipulación de estos materiales bidimensionales es mucho más sencilla con ella. Además, pruebo su eficacia por medio de la comparativa de materiales sensibles como el fósforo negro y las perovskitas tanto dentro como fuera de la cámara anaeróbica. Finalmente, añado un último anexo en el que muestro un método para fabricar grandes regiones de MoS2 por medio de la sulfuración de MoO3, obteniendo áreas de hasta 300 x 300 μm2 de 2 a 4 capas de espesor. Además, estas láminas delgadas de MoS2 se han caracterizado por medio de diversas técnicas como la espectroscopía Raman, la difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión y medidas eléctricas de transporte, encontrando también un comportamiento tipo p destacable.Peer reviewe