Symmetry Engineering of Two-Dimensional Materials by van der Waals Epitaxially Grown MoO3

Abstract

Moiré superlattices composed of in-plane anisotropic two-dimensional (2D) materials are expected to exhibit novel physical properties which cannot be achieved in conventional moiré superlattices. However, the experimental investigation of moiré superlattice with in-plane anisotropic 2D materials has been limited due to the instability of these materials. Therefore, it is crucial to fabricate ultrathin, high-quality, and air-stable in-plane anisotropic 2D materials to enable the realization of moiré superlattice based on in-plane anisotropic 2D materials. In this dissertation, orthorhombic molybdenum trioxide (α-MoO3) is focused and utilized as an air-stable in-plane anisotropic building block for the moiré superlattice. The research has been divided and specified into three stages to achieve the moiré superlattice based on α-MoO3. In the first stage, a method is developed to epitaxially grow α-MoO3 nanosheets on various 2D materials. Mono- to multilayer α-MoO3 nanosheets are successfully synthesized by evaporating amorphous molybdenum oxide thin films in ambient conditions. Despite significant lattice and symmetry mismatches, single crystalline α-MoO3 nanosheets are synthesized without grain boundaries. Additionally, the electrical properties of α-MoO3 such as band gap, work function, and carrier type are investigated. The second part systemically reveals the electrical and tribological properties of the epitaxially grown α-MoO3 nanosheets on graphite template. Using atomic force microscopy, the properties of α-MoO3 are investigated including friction, adhesive force, work function, tunnel current, and dielectric constant. The study demonstrates that the friction of atomically smooth α-MoO3 saturates rapidly within a few layers due to weak mechanical interlayer interaction. The work function and dielectric constant of α-MoO3 nanosheets also exhibit thickness-insensitivity attributed to weak interlayer coupling. Lastly, vdW epitaxially grown α-MoO3 is employed as an in-plane anisotropic building block. A heterostructure consisting of α-MoO3 and monolayer graphene is fabricated by forming a rectangular superlattice. It is revealed that deposition of α-MoO3 results in hole doping, compressive strain, and in-plane anisotropy to graphene. This research presents a novel method of symmetry engineering to induce in-plane anisotropy in symmetric 2D materials through the formation of asymmetric superlattices using epitaxially grown 2D layers.

면내 이방성 이차원 물질 (in-plane anisotropic two-dimensional materials) 로 구성된 모아레 초격자 (moiré superlattice)는 기존 모아레 초격자에서 얻을 수 없는 독특한 물리적 특성을 나타낼 것으로 기대된다. 하지만 면내 이방성 이차원 물질의 불안정성으로 인해, 이들로 구성된 모아레 초격자의 실험적 구현은 크게 제한되어 왔다. 이에 따라 면내 이방성 이차원 물질을 기반으로 한 모아레 초격자를 실현하기 위해 대기중 안정한 초박 및 고품질의 면내 이방성 이차원 물질을 제조가 필수적이다. 본 논문에서는 사방정계 (orthorhombic) 몰리브덴 삼산화물 (α-MoO3)을 대기중 안정한 면내 이방성 구성요소로 활용한다. 이러한 목표를 달성하기 위해, 필자는 연구를 다음과 같이 세 단계로 세분화 및 구체화하였다. 첫 번째 단계에서 다양한 이차원 물질 위에 α-MoO3 나노시트 (nanosheet)를 에피택시 (epitaxy)로 성장시키는 방법을 개발하였다. 비정질 α-MoO3을 대기중에서 승화시켜, 단층부터 다층의 α-MoO3 나노시트를 성공적으로 합성하였다. 상당한 격자 불일치에도 불구하고, 결정질 α-MoO3 나노시트는 결정립계를 보이지 않으며 형성되었다. 또한, α-MoO3의 밴드갭 (band gap), 일함수, 및 전하 유형과 같은 전기적 특성을 조사하였으며, 본 연구를 통해 이차물질 기반 전자소자의 구성요소로써 초박 α-MoO3의 가능성을 확인하였다. 두 번째 단계에서 흑연 위에 에피택시로 성장시킨 α-MoO3 나노시트의 전기 및 마찰 특성을 체계적으로 확인하였다. 원자 힘 현미경 (atomic force microscopy)을 사용하여 마찰계수, 접착력, 일함수, 터널 전류 (tunnel current), 및 유전 상수와 같은 다양한 특성을 분석하였다. α-MoO3의 약한 층간 상호작용 (interlayer interaction)으로 인해 마찰계수, 일함수, 유전 함수 등 대부분 특성이 수 층 내에서 빠르게 포화되는 것을 확인하였다. 마지막으로, 에피택시로 성장한 α-MoO3를 기반으로 한 이종구조를 형성하고, 이의 특성을 분석하였다. α-MoO3를 단층 그래핀에 에피택시로 성장시 이종 구조를 형성하였으며, 이러한 이종 구조는 결정 방향에 따라 매우 상이한 초격자 주기를 가진다. 앞서 조사한 α-MoO3의 전기적∙기계적 특성과 이방성으로 인해, α-MoO3가 성장한 그래핀에 정공 도핑 (hole doping), 압축 응력 (compressive strain), 면내 이방성이 유발되는 것을 확인하였다. 이 연구를 통해, 에피택시로 성장한 2D 층을 사용하여, 비대칭 초격자 형성하고 면내 등방성 이차원물질에서 이방성을 유발하는 새로운 대칭 공학 방법 (symmetry engineering)을 제시한다.