2D noble metal dichalcogenide based nanoelectromechanical sensors

Lukas, Sebastian; Lemme, Max C.; Düsberg, Georg S.

doi:HT031232494

2D noble metal dichalcogenide based nanoelectromechanical sensors

Lukas, Sebastian^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Lukas, M. Sc. RWTH

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Lemme, Max C. (Thesis advisor)^RWTH* ; Düsberg, Georg S. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-06-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06475
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1015609/files/1015609.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (618710)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
2D materials (frei) ; MEMS (frei) ; NEMS (frei) ; PtSe2 (frei) ; graphene (frei) ; membranes (frei) ; pressure sensors (frei) ; transition-metal dichalcogenides (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Motivation, Ziel und Aufgabenstellung der Arbeit: Seit einigen Jahrzehnten sind zweidimensionale (2D) Materialien ein aufstrebendes Forschungsfeld, in dem sich vielversprechende Möglichkeiten für praktische Anwendungen aufgetan haben. Zuerst lag der Fokus auf Graphen, aber die große Vielfalt anderer geschichteter van-der-Waals-Materialien, wie auch die Übergangsmetall-Dichalkogenide, haben die Aufmerksamkeit vieler Forschender auf sich gezogen. Zur gleichen Zeit existiert ein riesiger und fortlaufend wachsender Markt für mikroelektromechanische Systeme (MEMS), der wichtige Sensorbauteile für den Verbrauchermarkt, industrielle und medizinische Anwendungen oder die Automobilbranche beinhaltet. Viele dieser Sensoren basieren auf freitragenden Strukturen, die mechanische in elektrische Signale umwandeln oder umgekehrt. 2D-Materialien haben das Potential, disruptiv auf dem MEMS-Markt Einzug zu erhalten, da sie durch ihre extreme Dünne, hohe mechanische Festigkeit und überlegene elektronische Eigenschaften beeindrucken. Einige MEMS-Sensoren unter der Verwendung von 2D-Materialien wurden bereits in der Vergangenheit demonstriert, wie zum Beispiel Drucksensoren, Mikrofone oder Beschleunigungssensoren. Ihre herausragende Performanz lässt erahnen, was durch die Einführung dieser aufstrebenden Technologien in etablierte Halbleiter- oder MEMS-Fabrikationslinien möglich werden kann. Der Erfolg der 2D-Material-Technologien wird momentan allerdings noch durch Variationen in der Materialqualität, Herausforderungen bei der Skalierbarkeit und der fehlenden Automatisierung kritischer Prozessschritte gebremst. Die Erforschung dieser wichtigen Aspekte ist notwendig, um eine wettbewerbsfähige Implementierung von 2D-Materialien in praxisnahen Anwendungen zu ermöglichen. Die Aufgabenstellung der vorliegenden Arbeit bestand aus der experimentellen und modell-basierten Erforschung der 2D-Materialien Graphen und Platindiselenid (PtSe2) für piezoresistive membranbasierte Drucksensoren, sowie aus der Prozessentwicklung für ebendiese Sensoren und letztendlich aus der Sensorcharakterisierung und dem Vergleich mit dem Stand der Technik. Wesentliche wissenschaftliche Beiträge der Arbeit: Die vorliegende Arbeit diskutiert die Ergebnisse der Forschung an den 2D-Materialien Graphen und PtSe2, die als freitragende Membranen in besonders empfindlichen Drucksensoren mit geringem Flächenbedarf eingesetzt werden. PtSe2, eine eher junge Entdeckung unter den 2D-Materialien, überzeugt dabei mit seiner Piezoresistivität, seiner Niedrigtemperatursynthese und seiner Langzeitstabilität. Der erste wichtige Beitrag dieser Arbeit war die Untersuchung der strukturellen Eigenschaften von PtSe2 auf der Nanoskala sowie deren Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) an PtSe2 zeigte klare Korrelationen der Kristallitgrößen und -orientierung innerhalb des Dünnfilms mit den elektrischen, makroskopischen Eigenschaften wie Resistivität und Ladungsträgerbeweglichkeit. Die Breite der Raman-Eg-Mode konnte als geeigneter Indikator der PtSe2-Filmqualität identifiziert werden. Die Erkenntnisse, wie der Syntheseprozess die nanokristalline Struktur beeinflussen kann, sind kritisch für die Nutzung von PtSe2 in MEMS-Anwendungen. Der zweite wichtige Beitrag war die Entwicklung von verlässlichen und skalierbaren Herstellungstechniken für freitragende 2D-Material-Membranen. Untersuchungen des Design Space der Membranabmessungen wurden mittels COMSOL Multiphysics durchgeführt. Anschließend wurde atomar dünnes Graphen verwendet, um sehr hohe Erträge freitragender mikrometergroßer Membranen für die Druckmessung zu demonstrieren. Ein durch neuronale Netzwerke unterstützter automatisierter Evaluationsprozess von Elektronenmikroskopaufnahmen wurde entwickelt und trug zu einer hohen statistischen Relevanz der Auswertung bei. Der dritte wichtige Beitrag war die Demonstration des entwickelten Graphentransferprozesses mit PtSe2, um höchstempfindliche Drucksensoren herzustellen und zu charakterisieren. Hierbei wurde die Rolle einer dünnen Polymerschicht, die die 2D-Material-Membran mechanisch unterstützt, analysiert. Anschließend wurden PtSe2-Proben verschiedener Synthesemethoden genutzt, um Einblicke in die Einflüsse der unterschiedlichen Materialparameter auf die Sensor-Performanz zu erhalten. PtSe2-basierte Drucksensoren wurden zudem mit Silizium-CMOS-Schaltungen integriert, was die Kompatibilität für die Herstellung zeigt. Schließlich wurde der Prozessfluss hochskaliert, indem auf 100 mm-Wafern synthetisiertes PtSe2 mit einer modifizierten auf Wafer-Bonding basierenden Transfertechnik übertragen wurde und die darauffolgende Prozessierung vollständig mittels Stepper-Lithographie auf 150 mm-Wafern durchgeführt wurde. Die hergestellten Sensoren zeigten bemerkenswerte Empfindlichkeiten in Messungen, bestätigt durch externe Messungen bei unserem Projektpartner Infineon. Durch die in dieser Arbeit beschriebene Forschung konnte der Technologiereifegrad von PtSe2-basierten Drucksensoren in etwa von 1 auf 4 angehoben werden, wodurch die Technologie für industrielle Forschung und Entwicklung vorbereitet wurde. Sowohl die hohen Empfindlichkeiten als auch das demonstrierte Potential der Miniaturisierung der Sensorabmessungen verdeutlichen die Relevanz der Technologie und erhöhen die Wahrscheinlichkeit einer zukünftigen Implementierung.

Motivation, Goal, and Task of the Dissertation:Two-dimensional (2D) materials have been a thriving field of research in the past decades and promising chances for practical applications have been emerging. Focus has been put on graphene at first, but the wide variety of other layered van-der-Waals materials such as the transition-metal dichalcogenides quickly caught the attention of researchers. At the same time, there is a large and constantly growing market for microelectromechanical systems (MEMS), including important sensor devices for consumer, industrial, automotive, or medical applications. Many of these sensors rely on suspended structures that convert mechanical into electrical signals or vice versa. 2D materials have the potential to disruptively enter the MEMS market as they impress with extreme thinness, high mechanical strength, and superior electrical properties. Several MEMS sensors based on 2D materials have been previously demonstrated, such as pressure sensors, microphones, or acceleration sensors, foreshadowing what may be possible by introducing these emerging technologies into established semiconductor and MEMS fabrication lines.However, these novel technologies are held back by variations in material quality, challenges with scalability, and a lack of automation of critical processing steps. Critically assessing these major issues through research is required to enable the implementation of 2D materials in MEMS applications that are also economically viable.The tasks of the present thesis consisted of experimental and model-based investigations of the 2D materials graphene and platinum diselenide (PtSe2) for piezoresistive membrane-based pressure sensors, the development of suitable process technologies for such sensors and, finally, the sensors’ characterization and benchmarking with the state of the art.Major Scientific Contributions:This thesis discusses the results of research conducted on the 2D materials graphene and PtSe2 used as suspended membranes in highly sensitive, small footprint pressure sensors. PtSe2, a rather recent discovery within the 2D materials family, convinces with its high piezoresistivity, its low-temperature synthesis, and its long-term stability. The first major contribution of this thesis was the investigation of PtSe2’s structural properties on the nanoscale, and the implications of the nanostructure on the electrical performance. Transmission electron microscopy (TEM) of PtSe2 revealed strong correlations of the crystallite sizes and their orientation within the thin film with the electronic, macroscopic properties such as resistivity and charge carrier mobility. The width of the characteristic Raman Eg peak of PtSe2 was identified as a suitable indicator for the PtSe2 film quality. Understanding how the synthesis process can influence the nanocrystalline structure is critical for the utilization of PtSe2 in MEMS applications. The second main contribution was the development of reliable and scalable manufacturing processes for suspended 2D material membranes. Design space exploration of the membrane dimensions was performed using COMSOL Multiphysics. Then, atomically thin graphene was used to demonstrate very high yields of suspended micrometer-sized membranes for pressure sensing. A neural-network-assisted automated evaluation procedure of electron microscope images was developed and contributed to a high statistical relevance of the analysis. The third major contribution was the demonstration of the developed graphene transfer process flow using PtSe2 to create and characterize highly sensitive pressure sensors. The role of a thin polymer layer supporting the 2D material membrane was evaluated. PtSe2 from a range of different synthesis methods was used to investigate the implications of the material properties on the sensor performance. PtSe2-based pressure sensors were also integrated on a chip scale with silicon CMOS circuits, demonstrating their compatibility for manufacturing. Finally, the process flow was scaled up by transferring 100 mm wafer-scale PtSe2 with a modified wafer-bonding-based transfer technique and executing all further processing by stepper lithography on 150 mm wafers. The fabricated sensors show excellent sensitivity metrics in measurements, confirmed external measurements by our industry partner Infineon.Overall, the work presented in this thesis raised the technology readiness level (TRL) of PtSe2-based pressure sensors significantly, we estimate from level 1 to level 4, preparing the technology for an introduction into industrial research and development. The high sensitivities and the demonstrated potential for downscaling of the sensor dimensions enhance the relevance of the technology and its likelihood of future implementation in applications.

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