Summary
Через sulfurization предварительно хранение переходных металлов могут быть изготовлены большой площади и вертикальные 2D кристалл гетеро структуры. В настоящем докладе также демонстрируются фильм передачи и процедур изготовления устройства.
Abstract
Мы показали, что через sulfurization переходных металлов таких фильмов, как Молибден (Mo) и Вольфрам (W), большая площадь и форма переходных металлов dichalcogenides (TMDs) MoS2 и WS2 может быть подготовлен на подложках сапфира. Контроль толщины металла фильм, хороший слой номер управляемости, вплоть до одного слоя TMDs, можно получить с помощью этой методики роста. Основываясь на результаты, полученные из фильма Mo, sulfurized в условиях недостаточной серы, существует два механизма () Вселенский MoS2 роста и (b) Mo оксид сегрегации, наблюдается во время процедуры sulfurization. Когда фон серы является достаточным, Вселенский TMD рост является доминирующим роста механизм, который приведет к равномерную пленку2 мес после процедуры sulfurization. Если фон серы является несовершенным, Mo оксид сегрегации будет доминирующим роста механизма на начальном этапе процедуры sulfurization. В этом случае будет получен образца с Mo оксид кластеры покрыты несколько слой MoS2 . После последовательного Mo осаждения/sulfurization и W осаждения/sulfurization процедур, вертикальные WS2/MoS2 гетеро структуры с помощью этой методики роста. Раман пики, соответствующие WS2 и MoS2, соответственно и число идентичных слой гетеро-структуры с суммирование отдельных материалов 2D подтвердили успешное создание вертикальных 2D кристалл гетеро структура. После передачи WS2/MoS2 фильм на подложке /Si SiO2с предварительно узорной источник/слива электродов, изготовлен снизу-транзистор. По сравнению с транзистор с только MoS2 каналами, выше токи дренажные устройства с WS2/MoS2 гетеро структуры проявляют что с введением 2D кристалл гетеро структур, Улучшенный устройство производительность может быть получен. Результаты показали потенциал этой техники роста для практического применения 2D кристаллов.
Introduction
Один из наиболее распространенных подходов для получения пленки 2D кристалла используется механический пилинг от сыпучих материалов1,2,3,4,5. Хотя 2D кристалла пленки с высоким качеством кристаллический можно легко получить с помощью этого метода, масштабируемые 2D кристалл фильмов не доступны через этот подход, который является невыгодной для практического применения. В предыдущих публикациях доказано, что использование химического осаждения паров (CVD), большая площадь и форма 2D кристалл фильмы могут быть подготовлены6,,78,9. Прямые рост графена на подложках сапфира и слой номер контролируемый MoS2 фильмов подготовленные, повторив тот же цикл роста являются также продемонстрировал с помощью CVD роста техника10,11. В одной недавней публикации WSe в плоскости,2/MoS2 гетеро структура хлопья являются также изготовлены с использованием техники CVD роста12. Хотя метод CVD роста является перспективным в предоставлении масштабируемых 2D кристалл фильмов, главный недостаток этой методики роста является наличие различных прекурсоров находиться для различных 2D кристаллов. Условия роста также варьироваться между различными 2D кристаллов. В этом случае роста процедуры станет более сложной, когда растет спрос на 2D кристалл гетеро структур.
По сравнению с методом CVD роста, sulfurization предварительно наплавленного металла перехода фильмов предоставляет аналогичные, но гораздо проще рост подход для TMDs13,14. Поскольку рост процедура включает в себя только осаждения металлов и в следующей процедуре sulfurization, вполне возможно выращивать различные TMDs через те же процедуры роста. С другой стороны число управляемость слой кристаллов 2D также может достигаться путем изменения толщины предварительно наплавленного металла перехода. В этом случае роста оптимизации и слой номер управления вплоть до одного слоя требуются для различных TMDs. понимание механизмов роста также очень важно для создания сложных TMD гетеро структур с помощью этого метода.
В этом документе, MoS2 и WS2 фильмы готовятся под аналогичные процедуры роста осаждения металлов, следуют процедуре sulfurization. С результатами, полученными от sulfurization Mo фильмов достаточно и неудовлетворительных условиях серы два механизмы роста наблюдаются во время процедуры sulfurization15. В условиях достаточно серы единообразной и слой номер controllable MoS2 фильм можно получить после процедуры sulfurization. Когда образец sulfurized в условиях недостаточной серы, фон серы не достаточно, чтобы сформировать полный фильм2 MoS, таким образом, что Mo оксид сегрегации и коалесценции будет доминирующей механизм на ранней стадии роста. Образец с Mo оксид кластеры, охватываемых несколько слоев MoS2 будет получен после процедуры sulfurization15. Путем последовательного осаждения металла и следующие sulfurization процедур WS2/MoS2 вертикальные гетеро структуры с номером управляемость слоя вниз один слой может быть подготовлен,1516. Используя эту технику, образец получается на одном сапфира с четырьмя регионами: (I) пустыми сапфира, (II) standalone MoS2, (III) WS2/MoS2 гетеро структуры и (IV) standalone WS217 . Результаты показывают, что техника роста является выгодным для создания вертикальных 2D кристалл гетеро структуры и способен селективного роста. Расширенные устройства выступления 2D кристалл гетеро структур станет первым шагом на пути практического применения для 2D кристаллов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. рост отдельных 2D материала (MoS2 и WS2)
-
Переходных металлов осаждения с помощью распыления системы РФ
- Чистой 2 x 2 см2 сапфира субстрат помещается на держателя образца с полированной стороной целей системы распыления для переходных металлов осаждения. Сапфировые подложки выбираются из-за Сапфир химическая стабильность при высоких температурах и атомно плоские поверхности.
- Насос вниз распыления камеры до 3 x 10-6 Торр последовательно с помощью механического насоса, следуют диффузионного насоса.
- Придать системе распыления газа Ar и держать газового потока в 40 мл/мин с использованием контроллера массового расхода (MFC).
- Держите давление в камере на 5 x 10-2 Торр, используя ручной клапан управления и воспламенение Ar плазмы. Держите Выходная мощность 40 Вт.
- Уменьшение давления в камере до 5 x 10-3 Торр с помощью ручного колеса клапан угол.
- Вручную откройте затвор между сапфира и 2-дюймовый металлический цель и начать осаждения металла. Во время процедуры осаждения Держите распыления мощность 40 Вт для ПН и Вт. Давление фона хранится в 5 × 10-3 Торр с 40 мл/мин Ar газового потока.
- Контролировать время распыления на хранение фильмов переходных металлов с различной толщины. Благодаря тонкой толщина металла распыления раз обеспечит лучший контроль над толщина пленки чем чтений от резонатора кристалла кварца.
Примечание: Номера слой MoS2 и WS2 вырос с помощью метода в текущем рукописи пропорциональны распыления раз предварительно хранение МО и W фильмов. Определение распыления раз для получения MoS2 и WS2 с числами требуемый слой основано на поперечного сечения с высоким разрешением передачи изображения электронной микроскопии (HRTEM) для образцов с различным распыления раз. Однако если предварительно хранение МО и W фильмов слишком толстая, МО и W оксид сегрегации станет доминирующим роста механизмом, вместо планарной МОП2 и WS2 фильм роста. Таким образом соразмерности слой чисел с распыления раз ограничивается TMDs несколько слоя. С условием роста MoS2 в текущем рукописи слой чисел будет пропорционален распыления раз, когда фильм2 MoS является менее 10 слоев. Время распыления составляет 30 s для роста 5-слойный MoS2.
-
Sulfurization фильм переходных металлов
- Место сапфировые подложки с предварительно наплавленного металла переход фильмы в центре горячей печи для sulfurization.
- Место порошок серы (S) вверх по течению потока газа, 2 см от зону нагрева печи. В этом положении температура испарения для порошка S будет 120 ° С, когда температура рабочеи жидкости увеличивается до 800 ° C. Точно контролировать вес порошка S для различных переходных металлов для sulfurization. В работе вес порошка S составляет 1,5 g для МО и 1.0 g для W.
Примечание: Мы определить суммы порошок серы для подготовки MoS2 и WS2 пленок на основе результатов, полученных для каждого материала, подготовленных с использованием различное количество порошка серы. - Держите давление печи на 0.7 мм рт.ст. Во время процедуры sulfurization 130 мл/мин Ar газ был использован как газ-носитель.
- Рамп температуры печи от комнатной температуры до 800 ° C в 40 мин с наращивает темпы температура 20 ° C/мин держать температуру при температуре 800 ° C, до тех пор, пока порошок серы полностью испарилась. После этого мощность каменки выключается для снижения температуры в печи. Она занимает около 30-40 мин для печи до комнатной температуры от 800 ° C.
- Выполнение измерений спектра комбинационного с помощью 488 нм лазер15,16,17. Получите поперечного HRTEM изображения, чтобы проверить номера слой 2D кристаллы15,16,17.
2. рост WS2/MoS2 вертикальных гетеро структуры Single
Примечание: Этот раздел используется для создания единого гетеро структуру, состоящую из сапфира слой с 5 слоёв MoS2 и 4 слоев WS2.
- Выполните ту же процедуру шага 1.1. Депозит в фильме Mo на сапфира с использованием РФ магнетронное системы с 30 s время распыления.
- Sulfurize Mo фильм так же sulfurization как шаг 1.2 для роста MoS2. Пять слои MoS2 будет получен после процедуры sulfurization.
- Выполните те же процедуры, что шага 1.1. Хранение фильма W на MoS2сапфира с использованием РФ магнетронное системы с 30 s время распыления.
- Sulfurize в том же порядке sulfurization шага 1.2 для роста WS2фильма W. Четыре слоя WS2 будет получен на вершине MoS2 после процедуры sulfurization.
Примечание: Металлов осаждения и sulfurization процедура является таким же, как отдельные материала. Время распыления, МО и W фильмов определяются в зависимости от числа требуемых слой MoS2 и WS2 слоя. Двухместный - или multi-hetero-структур может устанавливаться путем повторения той же процедуре роста. Последовательность TMDs в вертикальной гетеро структуры также могут быть изменены в зависимости от структуры выборки.
3. фильм передачи и процедуры изготовления устройства
-
Фильм, передачи процедуры 2D кристалл фильмов
- Спин пальто три капли poly(methyl methacrylate) (PMMA) на фильм про ТВД для покрытия всего фильма при комнатной температуре. Скорости вращения-двухступенчатый счетчика являются 500 rpm для 10 s и 800 об/мин 10 s. После отверждения при 120 ° C за 5 мин, ПММА толщина составляет около 3 мкм.
- Поместите образец ПММА/TMD/сапфир в чашку Петри, которая заполнена с дейонизированной водой (DI).
- Отделите один угол ПММА/TMD фильма из сапфира с помощью пинцета в воде ди.
- Тепла 250 мл 1 М растворе KOH (14 g Кох окатышей, смешанного с 250 мл воды) в стакан до 100 ° C. Переместите образец в подогревом водном растворе KOH и продолжить пилинг ПММА/TMD фильм до тех пор, пока фильм полностью снимают от субстрата. Пилинг требует около 1 мин.
- Используйте отдельный сапфира, чтобы зачерпнуть ПММА/TMD фильм из Кох решения. Переместите в 250 мл стакан с водой ди смыть остатки Кох на фильм фильм. На данном этапе адгезии между ПММА/TMD фильм и сапфира зачерпнуть фильм слабый. Таким образом фильм будет де прикрепить из сапфира после погружения в воду ди.
- Повторите шаги 3.1.4 - 3.1.5 три раза с использованием новых ди воды чтобы убедиться, что большая часть остатков Кох удаляется из фильма.
Примечание: Адгезии между каждым слоем TMD гораздо сильнее, чем TMDs с сапфира. Таким образом может применяться та же процедура передачи отдельных MoS2/WS2 материалов или их гетеро структуры. 2D кристалл фильмов будет быть полностью снимают от субстрата, который похож на пилинг MoS2/graphene гетеро-структуры обсуждались в предыдущей публикации18. В зависимости от цели передачи фильм субстрат, упомянутых в этом шаге может быть сапфира или SiO2/Si субстрат с предварительно хранение электродов, как описано в шаге 3.2. Других субстратов могут также использоваться для этой цели.
-
Изготовление 2D кристалл транзисторов.
- Используйте стандартные фотолитографии для определения шаблонов электрода на SiO2/Si субстратов15,16,17. Источник и сток электроды изготовлены из 10 nm титана (Ti) или 100 nm золота (Au) изготавливаются на подложке Si 300 Нм SiO2/p-type.
- Погружайте SiO2/Si субстрат с предварительно узорной электродов источника/слива в стакан с водой ди и прикрепить к TMD стороны плёнки ПММА/TMD, подготовленную на этапе 3.1.
- Испечь образца при 100 ° C на 3 мин, после фильма прикреплена к SiO2/Si субстрат, чтобы удалить остатки воды.
- Капать три капли ПММА на образце с ПММА/TMD пленка для покрытия всей поверхности и сделать фильм, более прочно прикреплены к подложке.
- Поместите образец в электронных сухой кабинета для по крайней мере 8 h перед переходом к следующему шагу.
- Заполните два стаканы разных 250 мл ацетона. Погрузите образец прилагается пленкой ПММА/TMD последовательно в двух разных мензурки, заполнены с помощью ацетона для 50 и 10 мин, соответственно, чтобы удалить верхний слой ПММА.
- Определите канал транзистора, используя стандартные фото литография и реактивного ионного травления15,16,17. Обратно ворота MoS2 и WS2/MoS2 гетеро структура транзисторов являются сфабрикованные15,16,17. Длина канала и ширина устройства являются 5 и 150 мкм, соответственно.
- Используйте инструмент sourcemeter двухканальной системы для измерения вольт амперные характеристики транзисторов,1516,17.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Спектр Раман и поперечного HRTEM изображения отдельных MoS2 и WS2 изготовлены с использованием sulfurization предварительно хранение переходных металлов показаны на рисунке 1a-b17, соответственно. Две характерные Раман пики наблюдаются для MoS2 и WS2, которые соответствуют в плоскости 
и вне плоскости1 g режимы вибрации фононов в 2D кристаллов. Разница частоты Δk двух пиков Раман для MoS2 образца — 24,1 см-1, что свидетельствует о том, что 4-5 слоев MoS2 было получено19. Однако трудно определить возможные слой непосредственно из большого Δk значение 63,4 см-1 количество WS217. Поперечного сечения HRTEM образы двух выборок, показано на рисунке 1 c-d, показали, что 5 - и 4-слойные MoS2 и WS2 получаются для двух образцов, соответственно. Результаты показали, что через sulfurizing переходных металлов, большой площади и единообразных MoS2 и WS2 фильмы могут быть получены.
Поперечного сечения HRTEM изображение 1.0 Нм Mo фильма sulfurized в условиях недостаточной серы будет показано в Рисунок 2a, которой были замечены кластеры, покрыты кристаллами 2D несколько слоя. Эти результаты показали, что два механизмы роста наблюдались во время процедуры sulfurization15. Под достаточным условием серы серы для кислорода реакции проходил быстро таким образом, что Вселенский MoS2 охватывает весь образец в короткое время. Это Вселенский MoS2 пленки на поверхности образца может предотвратить дальнейшее материала миграции таким образом, что равномерное и слой номер controllable MoS2 фильма могут быть получены после процедуры sulfurization. Однако когда образец был sulfurized в условиях недостаточной серы, серы фон не был достаточно, чтобы сформировать полный фильм2 MoS, таким образом, что Mo оксид сегрегации и коалесценции был доминирующим механизм на ранней стадии роста. В этом случае образец с кластерами оксид Mo, охватываемых несколько слой MoS2 будет получен после процедуры sulfurization15. Схема описания модели переходных металлов sulfurization показано на рисунке 2b15. Поскольку два механизмы роста наблюдались во время процедуры sulfurization, существует верхний предел для числа слой2 MoS с единовременной роста.
Использование последовательных осаждения металла с sulfurization процедур, рассмотренных выше, WS2/MoS2 Одноместный гетеро структура был подготовлен после двух процедур переходных металлов осаждения/sulfurization. Спектры комбинационного и поперечного HRTEM изображение образца приведены на рисунке 3a-b17. Помимо характеристика Раман пики, соответствующие MoS2 и WS2, соответственно, идентичные слой количество 9 с суммирование отдельных 5 - и 4-слойные MoS2 и WS2 предполагает, что образец был WS2/ МОП-2 один гетеро структура. Подобный рост процедурами WS2/MoS2/WS2 двойной гетеро структура был подготовлен после трех процедур переходных металлов осаждения/sulfurization. Спектры комбинационного и поперечного HRTEM образ образца показано на рис. 3 c-d. С аналогичное замечание MoS2 и WS2 характерные Раман пики выше только три слоя 2D кристаллов наблюдались для этого образца. Эти результаты показали, что число управляемости () хороший слой до один слой был получен этот рост технику и (b вертикальной 2D кристалл, который двойной гетеро структура может быть установлен в трех атомного слоя толщиной16.
Еще один пример с половиной покрытие переходных металлов осаждения готова показать возможность селективного роста, используя технику рост, обсуждаются в настоящем докладе. Ограждая половина из сапфира в течение 1.0 Нм Mo осаждения, половина из субстрата могут быть покрыты MoS2 после sulfurization. После этого образец был поворота 90° для депозита W для покрытия половины из сапфира. Та же процедура sulfurization была проведена снова. В этом случае четырех регионов () пустыми сапфира, (b) standalone MoS2, (c) WS2/MoS2 гетеро структура и (d) standalone WS2 были получены в рамках единого сапфира17. Изображения и спектры комбинационного четырех различных регионов на образце показано на рисунке 4. Как показано на рисунке, большой площади и единообразных WS2 и MoS2 фильмов и их вертикальной гетеро структуры избирательно были выращены на же сапфира. Эти результаты показали, что помимо создания вертикальных гетеро структур, метод роста переходных металлов sulfurization выборочно вырос 2D кристаллы на подложках. Эта гибкость может дать больше комнаты для практических устройств измышления основанные на 2D материалов и их гетеро структуры.
Для сравнения производительности устройства транзисторов с MoS2 и WS2/MoS2 вертикальные гетеро структура как каналы устройства, двух транзисторов были сфабрикованы после изготовления процедурой, описанной в шаге 3 Протокол. Схематическая диаграмма, показывающая процесс изготовления также показан на рис. 5a. ID-VGS кривые устройств на VDS = 10 V показано на рисунке 5b. По сравнению с MoS2 транзистора, значительный сток нарастание было отмечено для устройства гетеро структуры. Эффект поля мобильности двух устройств с MoS2 и WS2/MoS2 гетеро структура каналов, извлеченные из кривых значений 0,27 и 0,69 см2/V·s, соответственно. Наш предыдущий прогноз электронно впрыска от WS2 MoS2 и выше каналов концентрация электронов в термально уравновешение может нести ответственность за это явление.
После тонкого осаждения пленок Mo образец был переехал из камеры напыления и подвергается воздействию воздуха. Поскольку фильм Mo очень тонкий, он был окисляется и сформировали Mo оксидов быстро атмосферных условиях. Кривая XPS (Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия) образца до sulfurization процедуры показан на рисунке 6a. Как показано на рисунке, фильм входили MoO2 и3 MoO перед процедурой sulfurization. Эти результаты показывают, что фильм Mo был окисляется в процедуре передачи из камеры для распыления в горячей печи. Других доказательств для формирования 2D кристалл гетеро структуры могут прийти из эквивалентных селективного травления 2D кристалл гетеро-структуры. Для этой цели мы продемонстрировали, что атомная травления может быть достигнуто для MoS2 и WS2 использование маломощных кислорода плазмы лечения20. Мы можем достичь эквивалентных селективного травления для вертикальной гетеро структуры, повторив Атомно-слоевое травление процедуры. Спектр Раман травления и снимите травление 4-слойный WS2/3-layer MoS2 вертикальные гетеро-структуры показаны на рисунке 6b. Атомно-слоевое травление раз согласуются с количество WS2 слоя (4 раза). Пики в регионе ООН травления и MoS2 сигналы только на протравленную региона, предположить, что вертикальная гетеро структура была создана с использованием метода рост, обсуждаются в настоящем документе замечания MoS2 и WS2 Раман.
Рисунок 1: Отдельные 2D кристаллы MoS2 и WS2. (a, b) Спектры комбинационного и (c, d) поперечного HRTEM изображения отдельного MoS2 и WS2, соответственно17. Получены образцы sulfurizing 1.0 Нм МО и W фильмов, подготовленного системой распыления. Как показано в спектрах комбинационного, два характерных Раман пики были замечены для MoS2 и WS2, что соответствует в плоскости 
и вне плоскости 
режимы вибрации фононов в 2D кристаллов. Номер номера слой MoS2 и WS2 вырос с помощью метода в текущем рукописи были пропорциональны распыления раз предварительно хранение МО и W фильмов. Определение распыления раз для получения MoS2 и WS2 с числами требуемый слой основано на поперечные изображения HRTEM для образцов с различным распыления раз. Однако если предварительно на хранение МО и W фильмов слишком толстые, МО и W оксид сегрегации станут механизмом доминирующей роста вместо планарной МОП2 и WS2 фильм роста. Таким образом соразмерности слой чисел с распыления раз был ограничен TMDs несколько слоя. С условиями роста MoS2 в текущем рукописи слой чисел будет пропорционален распыления раз, когда фильм2 MoS является менее 10 слоев. Время распыления составляет 30 s для роста 5-слойный MoS2. Этот рисунок был изменен с Wu et al. 17 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: модель роста переходных металлов sulfurization. () поперечного сечения HRTEM образа 1.0 Нм Mo фильма sulfurized под недостаточным условием серы и (b) схема, описывающие модель для переходных металлов sulfurization15. Условия роста образца, приготовленные без порошка серы, помещены в печи называется условие дефицит серы. Так как всегда есть накопление остатков серы вблизи течению рост палата после повторяющихся циклов роста, предполагается, что небольшое количество серы будет по-прежнему диффузные поверхности образца и приводят к росту2 MoS. Однако в таких условиях дефицит серы, не все предварительно хранение Mo будет преобразован в MoS2. Этот рисунок был изменен с Wu et al15. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3: MoS2/WS2 сингл двойной гетеро структуры и. Спектры комбинационного и поперечные изображения HRTEM WS2/MoS2 (а, б) одно - и (c, d) гетеро структуры16,17. Как показано в спектре комбинационного, в плоскости и вне плоскости режимы вибрации Фонон MoS2 и WS2 наблюдаются для 2D кристалл гетеро структур. От Chen et al. и Wu et al. были изменены панелей 16 , 17 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4: селективный рост кристаллов 2D. Изображения и спектры комбинационного четырех областей образца, подготовленных с половиной покрытие переходных металлов осаждения на одном сапфира17. Спектры комбинационного в () пустыми сапфира, автономные MoS2, (b) (c) WS2/MoS2 гетеро структуры и (d) standalone WS2 регионы образца показали характеристика Раман пиков. Этот рисунок был изменен с Wu et al. 17 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5: Производительность устройства MoS2 и WS2/MoS2 вертикальные гетеро структура транзисторов. () процедура изготовления транзисторов с MoS2 и WS2/MoS2 вертикальные гетеро структура как каналы и (b) ID-VGS кривые двух устройств на VDS = 10 V 17. толщина 1,0 Нм для МО и W фильмов были получены показания резонатора кристалла кварца. Распыление времена были 30 s для обоих материалов. Этот рисунок был изменен с Wu et al. 17 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6: Окисления предварительное хранение Mo фильмов и эквивалентные селективного травления WS2/MoS2 вертикальные гетеро-структур. () XPS кривой образца с предварительно хранение Mo фильм перед процедурой sulfurization. Фильм состоит из MoO2 и3 MoO перед процедурой sulfurization. Эти результаты показывают, что фильм Mo был окисляется в процедуре передачи из камеры для распыления в горячей печи. (b) Раман спектры травления и снимите травление 4-слойный WS2/3-layer MoS2 вертикальные гетеро-структуры. После четыре раза Атомно-слоевое офортов только MoS2 пики были замечены на протравленную региона; От Chen et al. была изменена группа B 20 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
По сравнению с обычными полупроводниковых материалов, таких как Си и GaAs, 2D материалов для приложений для устройств преимущество в возможности изготовления устройства с очень тонких тел вниз несколько атомных слоев. Когда в промышленности Si авансы в < 10 нм технологии узла, высокой пропорции Si плавник FET сделает архитектура устройства неподобающе для практического применения. Таким образом 2D материалы появились из-за их потенциал, чтобы заменить Si для приложений для электронных устройств.
Хотя ожидается, что наиболее изученный материал 2D, графена, демонстрируют высокую мобильность значения, его нулевой характер bandgap привело к не выключенном состоянии для графена транзисторов. В этом случае другие 2D материалы, такие как TMDs с видимыми bandgap значения пришли во внимание. В настоящее время наиболее распространенный подход для получения большой площади TMDs — использовать CVD технику. Хотя этот метод роста обеспечивают большой площади и единообразных фильмов про ТВД, выбор соответствующих прекурсоров и различные роста температур для различных TMDs невыгодно для разработки сложных структур, таких как 2D материал гетеро структуры. В этом случае sulfurization переходных металлов, как описано в настоящем документе стал перспективный подход для создания TMD гетеро структур. Это можно sulfurize различные TMDs аналогичных условиях sulfurization.
Одним из важных вопросов для роста 2D материалов является слой номер управляемость. Номер управляемость слой пленки2 MoS, подготовленный sulfurizing переходных металлов, как описано в этом документе было достигнуто путем контроля предварительно хранение толщины пленки Mo. Толщина пленки Mo контролировался время распыления. В случае 30 s магнетронное время, толщина пленки Mo составляла ~ 1 Нм. После процедуры sulfurization пять слоев MoS2 должно быть получено17. В случае 10 s магнетронное время,-однослойная MoS2 должен быть получен16.
Главное ограничение этого метода роста лежит в количестве максимальный слой с единовременной sulfurization. Как обсуждалось в предыдущем разделе, после тонкой осаждения пленок Mo, образец был переехал из камеры напыления и воздействию воздуха. Так как Mo фильм был очень тонкий, он был окисляется и сформировали Mo оксидов быстро при внешних условиях. Таким образом если предварительно на хранение Mo фильм слишком толстая, Вселенский MoS2 не будет достаточно для предотвращения Mo оксид сегрегации во время процедуры sulfurization, и образец с кластерами многослойных MoS2 охватывающих Mo оксидов, которые будут получены. С условиями роста, принятых в этом документе наибольшее число MoS2 слоя был около 10 с единовременной роста цикла.
Чтобы преодолеть этот недостаток, если требуется MoS2 фильм с слой число больше 10, это возможность повторить ту же процедуру роста осаждения металла и sulfurization для получения фильм с требуемое количество слоев11. Sulfurization предварительное хранение переходных металлов предоставил возможность роста для масштабируемых TMD фильм с хорошим слоем номер управляемость. Используя этот подход, также было продемонстрировано создание вертикальных гетеро структур и селективный рост на подложках сапфира. Техника рост, обсуждаются в настоящем документе станет важным шагом на пути практического применения 2D кристаллов. С расширенной устройств производительность 2D кристалл гетеро-структур 2D материалы могут быть возможным кандидатом для разработки электронных устройств, Нм размера. В будущей работе, наложения 2D материалы для установления различных гетеро структуры для получения различных оптических и электрических свойств с отдельным материалом будет важным вопросом для практического применения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Эта работа частично поддержали проекты наиболее 105-2221-E-001-011-MY3 и наиболее 105-2622-8-002-001 финансируется министерством науки и технологии, Тайвань и частично путем целенаправленного проекта, финансируемого научно-исследовательский центр для прикладных наук, Синика, Тайвань.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| RF sputtering system | Kao Duen Technology | N/A | |
| Furnace for sulfurization | Creating Nano Technologies | N/A | |
| Polymethyl methacrylate (PMMA) | Microchem | 8110788 | Flammable |
| KOH, > 85% | Sigma-Aldrich | 30603 | |
| Acetone, 99.5% | Echo Chemical | CMOS110 | |
| Sulfur (S), 99.5% | Sigma-Aldrich | 13803 | |
| Molybdenum (Mo), 99.95% | Summit-Tech | N/A | |
| Tungsten (W), 99.95% | Summit-Tech | N/A | |
| C-plane Sapphire substrate | Summit-Tech | X171999 | (0001) ± 0.2 ° one side polished |
| 300 nm SiO2/Si substrate | Summit-Tech | 2YCDDM | P-type Si substrate, resistivity: 1-10 Ω · cm. |
| Sample holder (sputtering system) | Kao Duen Technology | N/A | Ceramic material |
| Mechanical pump (sputtering system) | Ulvac | D-330DK | |
| Diffusion pump (sputtering system) | Ulvac | ULK-06A | |
| Mass flow controller | Brooks | 5850E | The maximum Argon flow is 400 mL/min |
| Manual wheel Angle poppet valve | King Lai | N/A | Vacuum range from 2500 ~1 × 10-8 torr |
| Raman measurement system | Horiba | Jobin Yvon LabRAM HR800 | |
| Transmission electron microscopy | Fei | Tecnai G2 F20 | |
| Petri dish | Kwo Yi | N/A | |
| Tweezer | Venus | 2A | |
| Digital dry cabinet | Jwo Ruey Technical | DRY-60 | |
| Dual-channel system sourcemeter | Keithley | 2636B |
References
- Moldt, T., et al. High-Yield Production and Transfer of Graphene Flakes Obtained by Anodic Bonding. ACS Nano. 5, 7700-7706 (2011).
- Choi, W., et al. High-Detectivity Multilayer MoS2 Phototransistors with Spectral Response from Ultraviolet to Infrared. Adv. Mater. 24, 5832-5836 (2012).
- Liu, H., Neal, A. T., Ye, P. D. Channel Length Scaling of MoS2 MOSFETs. ACS Nano. 6, 8563-8569 (2012).
- Wang, Q. H., Kalantar-Zadeh, K., Kis, A., Coleman, J. N., Strano, M. S. Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides. Nat. Nanotechnol. 7, 699-712 (2012).
- Radisavljevic, B., Radenovic, A., Brivio, J., Giacometti, V., Kis, A.
- Lee, Y. H., et al. Synthesis of Large-Area MoS2 Atomic Layers with Chemical Vapor Deposition. Adv. Mater. 24, 2320-2325 (2012).
- Yu, Y., Li, C., Liu, Y., Su, L., Zhang, Y., Cao, L. Controlled Scalable Synthesis of Uniform, High-Quality Monolayer and Few-layer MoS2 Films. Sci. Rep. 3, 1866 (2013).
- Ling, X., et al. Role of the Seeding Promoter in MoS2 Growth by Chemical Vapor Deposition. Nano Lett. 14, 464-472 (2014).
- Lee, Y., et al. Synthesis of wafer-scale uniform molybdenum disulfide films with control over the layer number using a gas phase sulfur precursor. Nanoscale. 6, 2821-2826 (2014).
- Lin, M. Y., Su, C. F., Lee, S. C., Lin, S. Y. The Growth Mechanisms of Graphene Directly on Sapphire Substrates using the Chemical Vapor Deposition. J. Appl. Phys. 115, 223510 (2014).
- Wu, C. R., Chang, X. R., Chang, S. W., Chang, C. E., Wu, C. H., Lin, S. Y. Multilayer MoS2 prepared by one-time and repeated chemical vapor depositions: anomalous Raman shifts and transistors with high ON/OFF ratio. J. Phys. D Appl. Phys. 48, 435101 (2015).
- Li, M. Y., et al. Epitaxial growth of a monolayer WSe2-MoS2 lateral p-n junction with an atomically sharp interface. Science. 349, 524-528 (2015).
- Zhan, Y., Liu, Z., Najmaei, S., Ajayan, M. P., Lou, J. Large-area vapor-phase growth and characterization of MoS2 atomic layers on a SiO2 substrate. Small. 8, 966 (2012).
- Woods, J. M., et al. One-Step Synthesis of MoS2/WS2 Layered Heterostructures and Catalytic Activity of Defective Transition Metal Dichalcogenide Films. ACS Nano. 10, 2004-2009 (2016).
- Wu, C. R., Chang, X. R., Wu, C. H., Lin, S. Y. The Growth Mechanism of Transition Metal Dichalcogenides using Sulfurization of Pre-deposited Transition Metals and the 2D Crystal Hetero-structure Establishment. Sci. Rep. 7, 42146 (2017).
- Chen, K. C., Chu, T. W., Wu, C. R., Lee, S. C., Lin, S. Y. Layer Number Controllability of Transition-metal Dichalcogenides and The Establishment of Hetero-structures using Sulfurization of Thin Transition Metal Films. J. of Phys. D: Appl. Phy. 50, 064001 (2017).
- Wu, C. R., Chang, X. R., Chu, T. W., Chen, H. A., Wu, C. H., Lin, S. Y. Establishment of 2D Crystal Heterostructures by Sulfurization of Sequential Transition Metal Depositions: Preparation, Characterization, and Selective Growth. Nano Lett. 16, 7093-7097 (2016).
- Lin, M. Y., et al. Toward epitaxially grown two-dimensional crystal hetero-structures: Single and double MoS2/graphene hetero-structures by chemical vapor depositions. Appl. Phys. Lett. 105, 073501 (2014).
- Lee, C., Yan, H., Brus, L. E., Heinz, T. F., Hone, J., Ryu, S. Anomalous Lattice Vibrations of Single and Few-Layer MoS2. ACS Nano. 4, 2695-2700 (2010).
- Chen, K. C., Chu, T. W., Wu, C. R., Lee, S. C., Lin, S. Y. Atomic Layer Etchings of Transition Metal Dichalcogenides with Post Healing Procedures: Equivalent Selective Etching of 2D Crystal Hetero-structures. 2D Mater. 4, 034001 (2017).
