Elektrischer Transport durch Bleisulfid-Nanoblätter

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektrischen Eigenschaften der 2D PbS-Nanoblätter untersucht. Das Ziel dieser Arbeit war es, aus den lösungsprozessierten PbS-Nanoblättern neuartige Halbleiterbauelemente herzustellen. Die 2D PbS-Nanoblätter wurden per kolloidaler Chemie synthetisiert und mittels Elektronenstrahllithographie kontaktiert. Aus individuellen PbS-Nanoblättern wurden zum ersten Mal Feldeffekttransistoren (FETs) erfolgreich hergestellt. Die 2D PbS-FETs wurden als Funktion der Metallaustrittsarbeit, der Temperatur und der Nanoblattschichtdicke untersucht. Die elektrischen Messungen an individuellen PbS-Nanoblättern als Funktion der Metallkontakte zeigten ein stark ausgeprägtes p-Typ-Verhalten im Falle der Metalle mit hoher Austrittsarbeit, wie beispielsweise Gold und Palladium, und ein schwaches p-Typ-Verhalten im Falle der Metalle mit geringer Austrittsarbeit wie beispielsweise Titan. Interessanterweise zeigten mit Platin kontaktierte PbS-Nanoblätter mehrheitlich ein n-Typ-Verhalten und nur wenige davon zeigten ein p-Typ-Verhalten. Die elektrische Charakterisierung der individuellen PbS-Nanoblätter offenbarte einen entscheidenden Einfluss der Metallaustrittsarbeiten. Die Höhe der Metallaustrittsarbeit an dem Übergang zum PbS-Nanoblatt entscheidet darüber, ob sich Ohmsche oder aber Schottky-Kontakte für Löcher ausbilden. Im Falle der Ohmschen Kontakte wird ein Löcherstrom favorisiert, wohingegen im Falle der Schottky-Kontakte ein Löcherstrom erschwert wird. Dies wiederum bestimmt die Leistung des Transistors bezüglich der Feldeffektmobilität und des On/Off-Verhältnisses. Die PbS-Nanoblätter zeigten Feldeffektmobilitäten von bis zu 31 cm²/Vs. Die Leistung der Transistoren gehört bereits ohne Vorbehandlung schon zu den höchsten innerhalb der kolloidalen Nanostrukturen. In Zukunft sollten an den Nanoblättern Transfer- Charakteristiken mit Top-Gate durchgeführt werden, um höhere Transistorleistungen zu erzielen. Eine erfolgreiche Durchführung der Transfer-Charakteristiken mit Top- Gate an den Nanoblättern, würde die Realisierung von Schaltkreisen aus Nanoblättern ermöglichen.

Desweiteren wurden FETs aus unterschiedlichen Nanoblattschichtdicken hergestellt, um auf dieser Weise den Einfluss der Schichtdicke auf das FET-Verhalten zu untersu-chen. Diese Messungen offenbarten einen entscheidenden Einfluss der Nanoblatthöhe auf die elektrischen Eigenschaften. Denn so zeigten dünnere Nanoblätter eine steile Sub-Threshold Slope sowie ein hohes On/Off-Verhältnis, wohingegen dickere Nanoblätter einen vergleichsweise hohen On-Strom aufwiesen. Demzufolge lässt sich die Transistorleistung bezüglich des On/Off-Verhältnisses, der Sub-Threshold Slope und des On-Stromes mit der Schichtdicke einstellen. Die Einstellbarkeit der elektrischen Eigenschaften von PbS-Nanoblättern könnte sie für viele elektronische Bauteile interessant machen. Zusätzlich wurden die PbS-FETs bei tiefen Temperaturen mit und ohne Beleuchtung untersucht. Diese Experimente zeigten ein ausgeprägtes p-Typ-Verhalten bei tiefen Temperaturen beispielweise bezüglich des On/Off-Verhältnisses. Unter Beleuchtung funktionierten die PbS-Nanoblätter als Phototransistoren und bei tiefen Temperaturen wurde das Abschnüren der photogenerierten Ladungsträgern signifikanter. Darüberhinaus offenbarten die PbS-Nanoblätter eine temperaturabhängige Photoleitfähigkeit. So wurden bei tiefen Temperaturen bemerkenswert hohe Photoleitfähigkeiten gemessen, bei Raumtemperatur hingegen nur geringe. Desweiteren wurde ein photovoltaischer Effekt in den asymmetrisch kontaktierten PbSNanoblättern gemessen. Der photovoltaische Effekt offenbarte eine Abhängigkeit von der Schichtdicke und den Metallelektroden. Eine Zunahme der Leerlaufspannung Voc mit zunehmender Bandlücke und mit zunehmender Differenz der Austrittsarbeiten der verwendeten Metallkontakte wurde beobachtet. An einzelnen PbS-Nanoblättern wurden Effizienzen von bis zu 0,94% sowie Quanteneffizienzen von bis zu 20,75% erreicht. Diese Tatsache hebt die Relevanz der PbS-Nanoblätter für zukünftige Photovoltaikanwendungen hervor. In Zukunft sollten Photovoltaikmessungen an mehreren individuellen Nanoblättern, die seriell verschaltet sind, durchgeführt werden. Dadurch könnten noch höhere Effizienzen erzielt werden.

In this thesis the electrical properties of 2D PbS nanosheets were investigated. The aim of this thesis was to fabricate solution-processed state-of-the-art semiconductor devices based on 2D PbS nanosheets. The 2D PbS nanosheets were synthesized by colloidal chemistry and contacted via electron-beam lithography. For the first time field-effect transistors (FETs) based on individual PbS nanosheets have been demonstrated. The FET behaviour of PbS nanosheets was investigated as a function of contact metal work function, temperature and nanosheet heights. The electrical measurements performed on individual PbS nanosheets as a function of contact metal work function exhibited a pronounced p-type behaviour in the case of higher-work-function metals like gold and palladium and a slight p-type behaviour in the case of lower-work-function metals like titanium. The majority of the PbS nanosheets contacted with platinum electrodes showed n-type behaviour with a few of p-type ones. The electrical characterization performed on individual PbS nanosheets showed that the contact metal work function has a decisive impact on the function of the devices as transistors. It determines whether Ohmic or Schottky contacts are formed for holes. In the case of Ohmic conctacts a hole current will be favoured whereas in the case of Schottky contacts a hole current will be prevented. This in turn determines the performance in terms of field-effect mobilities and On/Off ratios. In our measurements we obtained field-effect mobilities of up to 31 cm²/Vs. The performance of the transistors without any post-treatment is already among the best devices based on colloidal nanostructures. In the future, top gate transfer characteristics should be performed on the sheets to achieve higher transistor performances. In addition, a successful demonstration of top gate transfer characteristics would make it possible to build an integrated circuit from the nanosheets. Furthermore, FETs of various nanosheet heights have been fabricated to study the FET behaviour as a function of nanosheet height. These measurements revealed that the nanosheets‘ height has a decisive impact on their electronic properties. Thus, the electrical transport characterization demonstrated that thinner nanosheets exhibit steep sub-threshold slope and high On/Off ratios whereas thicker nanosheets exhibit a comparatively high On current. Thus, the transistor performance in terms of On current, On/Off ratio, and sub-threshold slope is tunable by the nanosheet height. This could make PbS nanosheets interesting candidates for versatile electronic devices. Additionally, the PbS FETs were studied at cryogenic temperatures with and without illumination. The experiments featured a pronounced p-typ behaviour in terms of On/Off ratios at cryogenic temperatures. Upon illumination the PbS nanosheets worked as phototransistors with pronounced switching of photo-generated carriers at cryogenic temperatures. Furthermore, the photoconductivity of the PbS nanosheets showed a temperature-dependence. The photoconductivity was remarkably high at lower temperatures whereas at room temperature it was modest. Futhermore, photovoltaic effect has been measured in asymmetrically contacted PbS nanosheets. The photovoltaic effect exhibited a sensitivity to the nanosheet height and the contact metals. An increase in the open-circuit voltage Voc was observed with larger bandgaps and with higher differences in the work function of the used contact metals. In such asymmetrically contacted ultra-thin nanosheets, a power conversion efficiency of up to 0.94% and externel quantum efficiency of up to 20.75% were achieved. The photovoltaic measurements emphasize PbS nanosheets as promising canditates for future optoelectronic and solar cell applications. In the future, photovoltaic measurements should be performed on serial connected individual PbS nanosheets. This could be a way to improve the efficieny of the photovoltaic devices based on the PbS nanosheets.