Abstract
Transition metal dichalcogenide (TMD) materials crystalize in a layered structure with a stoichiometry MX₂ where M is a transition metal (Mo, W, Tc, Re, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf) and X is a chalcogen (S, Se, Te). While there is a strong covalent bond between the chalcogen and the metal atoms in each 2-dimensional (2D) sheet, the bulk 3-dimensional crystals are held together by weak van der Waals forces acting on the adjacent 2D sheets allowing for micromechanical and liquid phase exfoliation into nanostructures composed of either a single layer or a few layers. Since the electronic band structure depends not only on the chemistry but also on the number of layers, a whole new range of metal, semimetal and semiconductor materials may be achieved. These properties, among many other advantages (e.g. tunable band structure, high mobility of carriers, easy intercalation with ions), make TMDs appealing and timely for applications in solar cells and photodetectors, heterogeneous catalysis, electrocatalytic electrodes, energy storage and in (electro) chemical sensing. Motivated by the anticipated fascinating properties of TMDs, this research work focuses on the synthesis, characterization and application of a novel hybrid WS₂ nanomaterial. While the original goal of the research work was to develop a simple method to synthesize WS₂ nanowires, it became clear that instead of nanowires a hybrid nanowire-nanoflake (NW-NF) structure could be synthesized by a simple thermal sulfurization of hydrothermally grown WO₃ nanowires. The structure, morphology and composition of the new materials were analyzed by X-ray diffraction, Raman spectroscopy, electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. Temperature dependent electrical measurements carried out on random networks of the nanostructures showed nonlinear characteristics and a negative temperature coefficient of resistance indicating that the hybrids were semiconducting. Resistive gas sensors were prepared and exposed to H₂S, CO, NH₃, H₂ and NO and to which the devices displayed ultra-high sensitivity (0.043 ppm⁻¹) towards H₂S with a detection limit of 20 ppb. The results suggest further exploration of gas sensing with TMDs as potential competitive alternatives to the classical metal oxide based devices. Moreover, photodetector devices with excellent visible light response were also demonstrated using an individual WS₂ NW-NF hybrid as well as its random networks having photoresponsivity of up to 400 mAW⁻¹. This was two orders of magnitude higher than that measured for other 2D materials based devices. Overall, the WS₂ nanowire-nanoflake hybrid is a truly multipurpose and multifunctional semiconductor making it a promising material for advanced micro, nano and optoelectronics devices. / Tiivistelmä
Siirtymämetallidikalkogenidistä (transition metal dichalcogenide, TMD) olevat materiaalit kiteytyvät kerroksittaisiksi rakenteiksi, joiden stoikiometria on MX₂, missä M on siirtymämetalli (Mo, W, Tc, Re, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf) ja X on kalkogeeni (S, Se, Te). 2-ulotteisessa (2D) tasossa kalkogeenin ja metallin välillä on voimakas kovalenttinen sidos, mutta suuremmassa kolmiulotteisessa kiteessä viereisiä tasoja sitoo toisiinsa vain heikot van der Waals-voimat, jolloin tasot on mahdollista erottaa mikromekaanisesti ja nestefaasikuorinnalla yksittäisiksi tai muutamasta kerroksesta koostuvaksi nanorakenteeksi. Koska elektronivyörakenne ei riipu ainoastaan kemiallisesta koostumuksesta vaan myös kerrosten lukumäärästä, voidaan muodostaa täysin uusia metallisia, puolimetallisia tai puolijohdemateriaaleja. Nämä ominaisuudet monien muiden lisäksi (esim. räätälöity vyörakenne, korkeanliikkuvuuden varauksen kuljettajat, helppo ionien interkelaatio) tekevät TMD-materiaaleista kiinnostavia ja ajankohtaisia aurinkokennoihin, valokennoihin, heterogeeniseen katalyysiin, sähkökatalyyttisiin elektrodeihin, energiavarastoihin ja sähkökemiallisiin antureihin. TDM-materiaalien oletettavasti kiehtovien ominaisuuksien motivoimana tämä tutkimus keskittyy uusien hybridi-WS₂-nanomateriaalien synteesiin, karakterisoimiseen ja sovellutuksiin. Tutkimuksen alkuperäinen tavoite oli kehittää yksinkertainen menetelmä WS₂-nanolankojen syntetisoimiseksi, mutta kävi ilmi että nanolankojen sijaan syntyi nanolanka-nanohiutale -hybridirakenne (nanowire-nanoflake, NW-NF), kun hydrotermisesti kasvatettuja WO₃-nanolankoja rikitettiin termisesti. Näiden uusien materiaalien rakenne, morfologia ja koostumus on analysoitu röntgendiffraktiolla, Raman-spekstrokopialla, elektronimikroskoopilla ja röntgenfotoelektronispektroskopialla. Valikoimattomista nanorakenteista koostuvien verkostojen lämpötilasta riippuvien sähköisten ominaisuuksien mittaukset osoittavat epälineaarisia piirteitä ja negatiivinen resistanssin lämpötilakerroin viittaa hybridien puolijohtavuuteen. Materiaalista valmistettiin resistiivisiä kaasuantureita, jotka altistettiin H₂S:lle, CO:lle, NH₃:lle, H₂:lle ja NO:lle, näistä anturi osoitti erittäin suurta herkkyyttä H₂S:lle (0.043 ppm) havaintorajan ollessa 20 ppb. Tulokset kannustavat TMD-materiaalien kaasuanturisovellutusten jatkotutkimukseen tarjoten potentiaalisesti kilpailukykyisen vaihtoehdon perinteisille metallioksidi-pohjaisille laitteille. Lisäksi, yksittäisillä WS₂-nanolanka-nanohiutalepartikkeleilla sekä valikoimattomilla nanolanka-nanohiutalehybridiverkostoilla demonstroitiin valokenno, jonka vaste näkyvään valoon oli jopa 400 mAW⁻¹ ollen kaksi kertaluokkaa korkeampi kuin muilla 2D-materiaaleihin perustuvilla kennoilla. Kaiken kaikkiaan, WS₂-nanolanka-nanohiutalehybridi on todella monikäyttöinen ja monipuolinen puolijohde ollen lupaava materiaali kehittyneille mikro-, nano- ja optoelektronisille laitteille.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:oulo.fi/oai:oulu.fi:isbn978-952-62-1889-2 |
| Date | 17 April 2018 |
| Creators | Asres, G. A. (Georgies Alene) |
| Contributors | Kordas, K. (Krisztian), Lloyd Spetz, A. (Anita), Lorite, G. (Gabriela) |
| Publisher | Oulun yliopisto |
| Source Sets | University of Oulu |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, © University of Oulu, 2018 |
| Relation | info:eu-repo/semantics/altIdentifier/pissn/0355-3213, info:eu-repo/semantics/altIdentifier/eissn/1796-2226 |
Page generated in 0.0032 seconds