Conde, Olinda Maria Quelhas FernandesGallardo González, Maria del Carmen2022-01-122022-01-1220212021http://hdl.handle.net/10451/50782Tese de mestrado integrado, Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2021The semiconductor transition metal dichalcogenides (TMDs) are materials, with chemical formula MX2, where M represents the transition metal (M: Mo, W) and X the chalcogen (X: S, Se, Te). These materials have been studied intensively in recent years due to the appearance of attractive physical, chemical and electronic properties when they reach the monolayer thickness, such as high electronic mobility and direct band gap between 1 and 2 eV. This value is comparable to that of silicon, which makes them promising candidates for the development of new electronic and optoelectronic devices. The morphology of the monolayers influences the performance of these compounds. For instance, the triangular shape in domains of high lateral dimension is desirable for electronic applications, while a morphology with a high number of active sites favors the use of TMDs in catalytic applications such as the hydrogen evolution reaction (HER). Within the TMDs, MoSe2 has attracted a lot of interest, because in addition to being a semiconductor material, it also has a high optical absorption. The chemical vapor deposition (CVD) technique has proved to be the preferred MoSe2 synthesis methodology, because it provides better control over experimental parameters and a higher yield at a lower cost. However, the height of the MoSe2 monolayers belongs to the nanometric scale and during the synthesis of MoSe2 by CVD there is competition between lateral and vertical growth. For this reason, an in¬depth study of the most relevant experimental synthesis parameters is necessary, in addition to the temperature profile of the furnace, which guarantees the maintenance of the monolayers growth temperature. Currently, the growth mechanisms of MoSe2 monolayers are not fully understood and the optimization of the system is far from being achieved, which would ensure the quality and reproducibility of the results. In this work, the influence of the total flow rate of argon and hydrogen, the partial flow of hydrogen, the growth time, the ratio of the precursor masses and the geometry and position of the substrate were investigated, based on several characterization techniques such as optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy¬dispersive X¬ray spectroscopy (EDS), atomic force microscopy (AFM) and Raman spectroscopy. Triangles and hexagons with high lateral dimension were obtained for gas flow rates between 50 and 80 sccm. The largest approximately equilateral triangle was about 40 µm in lateral size, synthesized with ≈ 0.6 g of selenium and ≈ 0.08 g of MoO3, a total gas flow rate of 70 sccm, a relative percentage of hydrogen of 12.50% and a growth time of 15 minutes. The highest average lateral size obtained was 5.30 µm for the same masses and the same total flow rate, but for a relative hydrogen percentage of 17.50% and a growth time of 10 minutes. For a high flow rate (ϕ =200 sccm) morphological transitions occur, resulting in fractal nanostructures that can be irregular or dendritic, depending on the mass ratio of the precursors. The correlation between experimental parameters and morphological results provides greater control over lateral size, nucleation density and thickness at the nanometer scale. Therefore, future step would be the characterization of the monolayers by photoluminescence in order to determine their optical band gap and evaluate their crystalline quality.Os dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) semicondutores são materiais com fórmula química MX2, em que M representa o metal de transição (M: Mo, W) e X o calcogénio (X: S, Se, Te). Estes materiais têm sido estudados intensivamente nos últimos anos devido ao aparecimento de atrativas propriedades físicas, químicas e eletrónicas quando atingem a espessura de monocamada, tais como elevada mobilidade eletrónica e hiato de energia direto entre 1 e 2 eV, comparável ao do silício, o que os tornam candidatos perfeitos para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrónicos e optoeletrónicos. A morfologia das monocamadas influencia o desempenho destes compostos. Por exemplo, a forma triangular em domínios de elevada dimensão lateral é desejável para aplicações eletrónicas, enquanto uma morfologia com um elevado número de locais ativos favorece a utilização dos TMDs em aplicações catalíticas como a reação de evolução do hidrogénio (HER). Dentro dos TMDs, o MoSe2 suscitou bastante interesse porque, para além de ser um material semicondutor, apresenta uma elevada absorção óptica. A técnica de deposição química em fase vapor (CVD) tem¬se revelado a metodologia de síntese de MoSe2 mais favorável, porque proporciona um melhor controlo nos parâmetros experimentais e um rendimento mais elevado a um menor custo. Porém, a espessura das monocamadas de MoSe2 situa¬se na escala nanométrica e, durante a síntese de MoSe2 por CVD, ocorre a competição entre o crescimento lateral e vertical. Por este motivo é necessário um estudo aprofundado dos parâmetros experimentais de síntese mais relevantes para além do perfil de temperatura do forno utilizado que garante a manutenção da temperatura dos precursores durante o crescimento das monocamadas. Atualmente, os mecanismos de crescimento das monocamadas de MoSe2 não são totalmente compreendidos e a optimização do sistema encontra¬se longe de ser alcançada, o que permitiria assegurar a qualidade e a reprodutibilidade dos resultados. Neste trabalho foi investigada a influência do fluxo total de árgon e hidrogénio, do fluxo parcial de hidrogénio, do tempo de crescimento, da razão das massas dos precursores e da geometria e posição do substrato, fundamentada em diversas técnicas de caraterização como microscopia óptica, microscopia eletrónica de varrimento (SEM), espetroscopia de raios X por dispersão em energia (EDS), microscopia de força atómica (AFM) e espetroscopia Raman. Triângulos e hexágonos de elevada dimensão lateral foram obtidos para fluxos entre 50 e 80 sccm. O maior triângulo aproximadamente equilátero possuía cerca de 40 µm de aresta, sintetizado com ≈ 0,6 g de selénio e ≈ 0,08 g de MoO3, um fluxo total de 70 sccm, uma percentagem relativa de hidrogénio de 12,50% e um tempo de crescimento de 15 minutos. O tamanho lateral médio mais elevado obtido foi de 5,30 µm para as mesmas massas e o mesmo fluxo total, mas para uma percentagem relativa de hidrogénio de 17,50% e um tempo de crescimento de 10 minutos. Para um fluxo elevado (ϕ =200 sccm) ocorrem transições morfológicas surgindo nanoestruturas fratais que podem ser irregulares ou dendríticas, conforme a razão da massa dos precursores. O encadeamento entre os parâmetros experimentais e os resultados morfológicos fornece um maior controlo no tamanho lateral, na densidade de nucleação e na espessura à escala nanométrica. Por conseguinte, a etapa futura seria a caraterização das monocamadas por fotoluminescência de forma a determinar o hiato de energia e avaliar a qualidade cristalina.porDicalcogenetos de metais de transiçãoDiselenieto de molibdénioMateriais bidimensionaisDeposição química a partir da fase vaporTeses de mestrado - 2021master thesis202933920