ABSTRACT

After the discovery of graphene, 2D transition metal dichalcogenides (TMDs) have become a captivating group of materials. Their diverse and adjustable electronic, optical, and chemical properties have attracted significant research interest. Additionally, combining various individual TMDs in 2D material-based heterostructures offers limitless possibilities for creating new materials and exhibiting unique physical phenomena, properties, and applications. However, to meet these high expectations, it is crucial to develop scalable and cost-effective methods for producing high-quality 2D TMDs and their heterostructures. Chemical vapor deposition (CVD) is a powerful technique that has been extensively used in recent years to grow 2D materials and their heterostructures, despite some remaining challenges. In this study, we present novel CVD recipes utilizing a sodium metalate precursor  (NaMO4, M = transition metal) in conjunction with sulfur vapors at elevated temperatures to facilitate the growth of 2D TMD materials. Our findings reveal that the incorporation of sodium significantly enhances crystal growth rates, enabling the transition from a vapor-vapor reaction to a vapor-liquid-solid mechanism. This advancement has enabled the fabrication of continuous 2D TMD films encompassing monolayer and few-layer domains, with exceptional lateral dimensions exceeding 500 μm. Moreover, by adjusting precursor concentration ratios, we have successfully synthesized exceedingly large 2D TMD heterostructures both vertically and laterally. Specifically, we demonstrate the production of 2D MoS2 and WS2, along with their heterostructures, using these innovative CVD recipes. Our approach represents a significant advancement in the scalable production of large-area 2D TMDs and their heterostructures, paving the way for their integration into diverse applications in electronics, optoelectronics, and beyond. Comprehensive characterization via optical, atomic force, and scanning electron microscopies, as well as Raman and photoluminescence spectroscopies, validates the high quality and structural integrity of the synthesized materials. Additionally, we will present the response in mechanical deformation by examining the effects on specific Raman modes and excitons of TMDs. Finally, we will analyze a characteristic example of how mechanical strain impacts the performance of electronic devices, such as field-effect transistors, made from single-layer WS2.

SHORT GREEK CV

Ο Δρ. Ιωάννης Παρθένιος είναι Ειδικός Λειτουργικός Επιστήμονας στη βαθμίδα Β’ στο Ινστιτούτο Επιστημών Χημικής Μηχανικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ) από το 2012 και υπεύθυνος του Εργαστηρίου Θερμομηχανικής Ανάλυσης. Απέκτησε το διδακτορικό του δίπλωμα από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών και έχει διδάξει επί σειρά ετών στο Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο. Κατά το διάστημα 2007-2008 διετέλεσε επισκέπτης ερευνητής στο University of London, Queen Mary and Westfield College.

Εντάχθηκε στο Ινστιτούτο ως μεταδιδακτορικός ερευνητής το 1998 και έκτοτε έχει συμμετάσχει σε πλήθος Ευρωπαϊκών και Εθνικών ερευνητικών προγραμμάτων, με εξειδίκευση στα νανοσύνθετα υλικά και στον χαρακτηρισμό τους μέσω φασματοσκοπίας Raman. Διαθέτει εκτεταμένη εμπειρία στον θερμομηχανικό χαρακτηρισμό υλικών με τεχνικές DSC, DMA και Μικροσκοπίας Ατομικής Δύναμης (AFM), καθώς και στις τεχνικές χημικής απεικόνισης Raman και υπέρυθρης θερμοφωτογράφησης. Επιπλέον, η έρευνά του εστιάζει στην ανάπτυξη καινοτόμων μεθόδων για τον μη καταστροφικό έλεγχο υλικών, με έμφαση στη χρήση φασματοσκοπικών τεχνικών σε συνδυασμό με AFM για την ανίχνευση τάσεων/παραμορφώσεων και θερμοκρασίας σε πληθώρα νανοϋλικών.

Τα τελευταία 15 χρόνια, η ερευνητική του δραστηριότητα επικεντρώνεται στον τομέα της Νανοτεχνολογίας, με ειδίκευση στην παραγωγή και μελέτη των οπτικών και μηχανικών ιδιοτήτων του γραφενίου και άλλων δισδιάστατων κρυστάλλων, όπως τα διχαλκογενή μετάλλων μετάπτωσης. Έχει δημοσιεύσει πάνω από 100 επιστημονικές εργασίες, περιλαμβανομένων 8 κοινών εργασιών και 6 σε πρακτικά συνεδρίων με τους κατόχους του Βραβείου Nobel Φυσικής 2010, Κ. Νovoselov και A. Geim. Επιπλέον, είναι κάτοχος μίας οικογένειας διεθνών ευρεσιτεχνιών (αναγνωρισμένων στην Ευρώπη, Αμερική, Κορέα, κ.λπ.) και μίας ελληνικής ευρεσιτεχνίας. Έχει συμμετάσχει σε περισσότερα από 130 διεθνή και ελληνικά συνέδρια, και έχει συντονίσει τέσσερα εθνικά προγράμματα καθώς και ένα από τα πρώτα FORTH Synergy grants.

Αναπτύσσει έντονη δραστηριότητα στην ανάπτυξη συνεργασιών με τη βιομηχανία, είτε μέσω διμερών συνεργατικών προγραμμάτων, είτε μέσω εθνικών και περιφερειακών προγραμμάτων, προάγοντας τη σύνδεση της επιστημονικής έρευνας με τις βιομηχανικές εφαρμογές.