Processing of single-element 2D materials towards integration in electronic devices

Since the isolation of graphene, the new class of two-dimensional (2D) materials has been continuously expanded, paving the way for many opportunities in the evolution of nanotechnology. In this materials group, Xenes are an emerging class of graphene-like materials, synthesized by molecular beam epitaxy (MBE), that show exceptional properties due to their 2D nature. Among these, silicene plays a crucial role, as a possible future integration in the current silicon technology, and stanene presents interesting properties, especially related to the spin-orbit coupling (SOC) and its possible integration as a 2D topological insulator. In this framework, the purpose of this work of thesis is related to the study and optimization of the actual manipulation of Xenes, such as silicene and stanene, from a processing point of view, in order to discuss and solve the main issues toward the implementation into device structures. In particular, the considered samples are of three types: silicene grown on Ag(111)-on-mica substrate, heterostructures of silicene-stanene grown on Ag(111)-on-mica and samples of few-layer stanene grown on InSb substrate. Unlike graphene, the mixed sp2-sp3 hybridization of Xenes, and in particular of silicene, results in a high environmental reactivity leading to material degradation. The development of reliable encapsulation schemes is fundamental for the discovery of new possible applications, hence, a key role in this work is related to the vertically stacked silicene-stanene heterostructures, where silicene is sandwiched in between an Al2O3 capping layer on the top surface and the stanene on Ag(111) crystal at the bottom face. The introduction of a stanene buffer layer enabled to develop an all-around encapsulation scheme to protect silicene against degradation under environmental conditions when disassembled from the native substrate. By combining different chemical and structural techniques, such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Raman spectroscopy, we demonstrated that Xene heterostructures can be used to prevent silicene from degradation when the supporting Ag substrate is chemically etched. After the stability results obtained through the heterostructure configuration, to exploit Xenes towards a possible application, the heterostructure samples were compared with only-silicene samples from the point of view of the effects induced by macro- and micro-scale strain applied. Silicene, indeed, ensuring large-scale uniformity, is a valid alternative to scale up flexible devices on a cm2 scale with the benefit of compatibility with the current silicon semiconductor technology. Starting from epitaxial single and multilayer silicene grown on Ag(111) or in the heterostructure configuration, it was possible to realize bendable silicene-based membranes which allowed us to study the strain response of the Xene stack. As an extensively used approach for other 2D materials, the shift of the Raman mode frequency position was used as the hallmark of the silicene response to the applied strain. Finally, as the choice of the substrate determines the direction of both the process and the possible application, few-layer stanene grown on a semiconductive substrate was also taken into consideration for scrutinize path for the development of device mechanisms based on its non-trivial topological character. This type of growth substrate facilitated the process steps, as no specific transfer process was required to have access to the material properties.

Dall'isolamento del grafene, la nuova classe dei materiali bidimensionali (2D) si è continuamente ampliata, aprendo la strada a molte opportunità nell'evoluzione delle nanotecnologie. In questo gruppo di materiali, gli Xeni sono una classe emergente di materiali simili al grafene, sintetizzati mediante epitassia da fasci molecolari (MBE), che mostrano proprietà eccezionali grazie alla loro natura 2D. Tra questi, il silicene gioca un ruolo cruciale, grazie alla potenziale facilità di integrazione nell'attuale tecnologia al silicio, mentre lo stanene presenta interessanti proprietà, soprattutto legate all'accoppiamento spin-orbita (SOC) e alla sua possibile integrazione come isolante topologico 2D. In questo quadro, lo scopo di questo lavoro di tesi è legato allo studio e all'ottimizzazione della reale manipolazione di Xeni, come il silicene e lo stanene, dal punto di vista del processo, al fine di discutere e risolvere le principali problematiche versola loro implementazione in strutture di dispositivi. In particolare, i campioni considerati sono di tre tipi: silicene cresciuto su Ag(111) su mica, eterostrutture di silicene-stanene cresciute su Ag(111) su mica e campioni di stanene cresciuti su substrato InSb. A differenza del grafene, l'ibridazione mista sp2-sp3 degli Xeni, e in particolare del silicene, comporta un'elevata reattività ambientale che porta alla degradazione del materiale. Lo sviluppo di schemi di incapsulamento affidabili è fondamentale per la scoperta di nuove possibili applicazioni; pertanto, un ruolo chiave in questo lavoro è legato alle eterostrutture di silicene-stanene, in cui il silicene è inserito tra uno strato Al2O3 di protezione sulla superficie superiore e lo stanene su Ag(111) sulla faccia inferiore. L'introduzione di uno strato di stanene ha permesso di sviluppare uno schema di incapsulamento completo per proteggere il silicene dalla degradazione in condizioni ambientali quando viene disassemblato dal substrato di crescita. Combinando diverse tecniche di caratterizzazione chimiche e strutturali, come la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e la spettroscopia Raman, abbiamo dimostrato che le eterostrutture di Xeni possono essere utilizzate per prevenire la degradazione del silicene quando il substrato di crescita metallico viene rimosso. Dopo i risultati di stabilità ottenuti attraverso la configurazione a eterostruttura, per sfruttare gli Xeni verso una reale applicazione, i campioni di eterostruttura sono stati confrontati con campioni di solo silicene dal punto di vista degli effetti indotti dallo strain su scala macroscopica e microscopica. Il silicene, infatti, garantendo un’ uniformità su larga scala, rappresenta una valida alternativa per scalare dispositivi flessibili su scala del cm2 con il vantaggio della compatibilità con l'attuale tecnologia a base di silicio. Partendo dal silicene epitassiale singolo e multistrato cresciuto su Ag(111) o in configurazione di eterostruttura, è stato possibile realizzare membrane pieghevoli a base di silicene che ci hanno permesso di studiare la risposta alla deformazione dello strato di Xeni. Come approccio ampiamente utilizzato per altri materiali 2D, lo spostamento della posizione della frequenza del modo Raman è stato utilizzato come segno distintivo della risposta del silicene alla deformazione applicata. Infine, poiché la scelta del substrato determina la direzione del processo e delle possibili applicazioni, è stato preso in considerazione anche lo stanene cresciuto su un substrato semiconduttivo, per esaminare una possibile via di sviluppo di dispositivi con proprietà derivanti dalla sua natura topologicamente non banale. Questo tipo di substrato di crescita ha facilitato le fasi di processo, in quanto non è stato necessario uno specifico processo di trasferimento per avere accesso alle proprietà del materiale.