Since their discovery at the beginning of the 21st century, two-dimensional (2D) materials have emerged as one of the most exciting material groups offering unique properties which promise a plethora of potential applications in nanoelectronics, quantum computing, and surface science. The progress in the study of 2D materials has advanced rapidly stimulated by the ever-growing interest in their behavior and the fact that they are the ideal specimen for transmission electron microscopy (TEM), as their geometry allows to identify every single atom. Their morphology – 2D materials consist of “surface” only – at the same time makes them sensitive to beam damage, since high-energy electrons easily sputter atoms and introduce defects. While this is in general not desirable – as non-destructive imaging is aimed at – it allows to precisely quantify the damage in TEM and even pattern the 2D material with atomic resolution using the electron beam. Alternatively, patterning of 2D materials can be achieved using focused ion irradiation, which makes studying its effect on 2D materials relevant and essential.
In this thesis, we theoretically study the effects of electron and ion irradiation on 2D materials, exemplarily on 2D MoS2 . Specifically, we address the combined effect of electronic excitations and direct momentum transfer by high-energy electrons (knock-on damage) in 2D MoS2 using advanced first-principles simulation techniques, such as Ehrenfest dynamics based on time-dependent density functional theory (DFT). Here, we stress the importance of the combined effect of ionization damage and knock-on damage as neither of these alone can account for experimentally-observed defect production below the displacement threshold – the minimum energy required for the displacement of an atom from the pristine system. A mechanism of defect production relying on the localization of the electronic excitation at the emerging vacancy site is presented. The localized excitation eventually leads to a significant drop in the displacement threshold. The combination of electronic
excitation and knock-on damage may in addition to beam-induced chemical etching explain the observed sub-threshold damage in low voltage TEM experiments. Apart from non-destructive imaging, electrons may be used to modify the 2D material intentionally. In this light, we consider the electron-beam driven phase transformation in 2D MoS2 , where the semiconducting polymorph transforms into its metallic counterpart. The phase energetics and a possible transformation mechanism under electron irradiation are investigated using DFT based first-principles calculations. The detailed understanding of the interaction of the electron beam with the 2D material promises to improve the patterning resolution enabling circuit design on the nanoscale.
Ion irradiation employed in focussed ion beams (FIB), e.g., the helium ion microscope (HIM) constitutes another tool widely used to pattern and even image 2D materials. Ion bombardment experiment usually carried out for the 2D material placed on a substrate are frequently rationalized
using simulations for free-standing systems neglecting the effect of the substrate. Combining Monte Carlo with analytical potential molecular dynamics simulations, we demonstrate that the substrate plays a crucial role in damage production under ion irradiation and cannot be neglected. Especially for light ions such as He and Ne, which are usually used in the HIM, the effect of the substrate needs to be considered to account for the increased number of defects and their broadened spatial distribution which limits the patterning resolution for typical HIM energies. / Seit ihrer Entdeckung Anfang des 21. Jahrhunderts haben sich zwei-dimensionale (2D) Materialien zu einer der spannendsten Materialklassen im Forschungsfeld aus Materialwissenschaft, Physik und Chemie entwickelt. Ihre einzigartigen Eigenschaften versprechen eine Vielzahl potentieller Anwendungen in der Nanoelektronik, für Quantencomputer und in der Oberflächenwissenschaft. Beflügelt durch das wachsende Interesse an ihrem Verhalten und der Tatsache, dass sie die idealen Proben für die Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM) darstellen – ihre Geometrie erlaubt es, jedes einzelne Atom zu identifizieren – sind die Forschungen an 2D-Materialien rapide vorangeschritten. Ihre Morphologie – 2D-Materialien bestehen nur aus “Oberfläche” – bedingt zugleich ihre Sensitivität bezüglich Strahlschäden. Hochenergetische Elektronen lösen sehr leicht Atome aus dem 2D-Material und induzieren Defekte. Obwohl dies im Allgemeinen unerwünscht ist – Ziel ist eine nicht-destruktive Bildgebung – erlaubt es doch präzise Einblicke in die Schadensentstehung im TEM. Überdies können 2D-Materialien mit Hilfe des Elektronenstrahls mit atomarer Auflösung strukturiert werden. Alternativ kann die Strukturierung des 2D-Materials über fokussierte Ionenstrahlung erfolgen, weshalb es lohnenswert erscheint, auch deren Effekt auf 2D-Materialien zu untersuchen.
In dieser Arbeit werden die Effekte von Elektronen- und Ionenstrahlung auf 2D-Materialien aus theoretischer Sicht exemplarisch an 2D-MoS2 untersucht. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem kombinierten Effekt von elektronischer Anregung und dem direkten Impulsübertrag durch hochenergetische Elektronen (Kollisionsschaden) in 2D-MoS2 , der durch die Anwendung von Ab-Initio-Simulationstechniken wie der Ehrenfest-Molekulardynamik, basierend auf zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie (DFT), studiert wird. Dabei liegt die Betonung auf der Kombination beider Effekte, da weder Ionisierungs- noch Kollisionsschäden allein die experimentell beobachtete Defekterzeugung unterhalb der Displacement Threshold – der notwendigen Mindestenergie, um ein Atom aus dem reinen Material herauszulösen – erklären. Ein möglicher Mechanismus der Defekterzeugung, basierend auf der Lokalisierung der elektronischen Anregung an der entstehenden Vakanzstelle, wird vorgeschlagen. Die lokalisierte Anregung führt dabei schließlich zu einem signifikanten Absinken der Displacement Threshold. Die Kombination von elektronischer Anregung und Kollisionsschaden trägt neben strahlinduzierten chemischen Reaktionen zur Erklärung der beobachteten Schäden unterhalb der Displacement Threshold in Niederspannungs-TEM-Experimenten bei.
Neben nicht-destruktiver Bildgebung können Elektronenstrahlen auch dafür benutzt werden, 2D-Materialien gezielt zu modifizieren. In diesem Sinne wird der elektronenstrahl-induzierte Phasenübergang in 2D-MoS2 , bei dem sich das Material von einem halbleitenden in einen metallischen Zustand transformiert, betrachtet. Die Phasenenergetik und ein möglicher Transformationsmechanismus
werden unter Zuhilfenahme von DFT-basierten Ab-Initio-Simulationen untersucht. Das detaillierte Verständnis der Interaktion des Elektronenstrahls mit dem 2D-Material verspricht dabei die Strukturierungsauflösung zu verbessern und ermöglicht Schaltkreisdesign auf der Nanoskala. Fokussierte Ionenstrahlen, wie sie in Ionenstrahlinstrumenten – wie dem Helium-Ionen-Mikroskop (HIM) zum Einsatz kommen – stellen ein weiteres häufig verwendetes Werkzeug zur Modifikation sowie zur Bildgebung von 2D-Materialien dar. Ionenstrahlexperimente – üblicherweise mit dem auf einem Substrat platzierten 2D-Material durchgeführt – werden hingegen oft mit Simulationen für freistehende 2D-Materialien rationalisiert, wobei jegliche Einwirkung des Substrats vernachlässigt wird. Die Kombination von Monte-Carlo-Simulationen mit Molekulardynamik-Simulationen (auf der Basis analytischer Potentiale) in dieser Arbeit verdeutlicht, dass das Substrat eine wichtige Rolle in der Defekterzeugung spielt und nicht vernachlässigt werden kann. Besonders für leichte Ionen, wie He und Ne, wie sie typischerweise im HIM zum Einsatz kommen, sollte der Effekt des Substrats berücksichtigt werden. Dieses führt für typische Ionenenergien im HIM – im Vergleich zum freistehenden 2D-Material – zu einer ansteigenden Anzahl an Defekten und einer breiteren räumlichen Defektverteilung, welche die Strukturierungsauflösung begrenzt.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:38070 |
| Date | 30 January 2020 |
| Creators | Kretschmer, Silvan |
| Contributors | Faßbender, Jürgen, Kotakoski, Jani, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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