הכנת שטח גדול אנכי 2D קריסטל הטרו-מבנים באמצעות Sulfurization של מתכות מעבר סרטים עבור ייצור המכשיר
Summary
דרך sulfurization של מתכות המעבר מראש הופקדו, קריסטל 2D שטח גדול ואנכי הטרו-מבנים יכול להיות מפוברק. הסרט העברת ונהלים ייצור המכשיר מודגמות גם בדו ח זה.
Abstract
אנחנו הדגימו כי דרך sulfurization של מתכות מעבר סרטים כמו מוליבדן (מו) ו טונגסטן (W), שטח גדול אחיד מתכות מעבר dichalcogenides (TMDs) MoS2 , WS2 ניתן להכין על מצעים ספיר. על ידי שליטה על סרט מתכת בעוביים, בקירות וצפיות מספר טוב שכבה, עד שכבה אחת של TMDs, ניתן להשיג בעזרת טכניקה זו הצמיחה. על סמך התוצאות המתקבלות מהסרט מו sulfurized בתנאי חסר גופרית, ישנם שני מנגנונים של צמיחה2 MoS מישורי (א) ו- (ב) מו תחמוצת סגרגציה נצפתה במהלך ההליך sulfurization. כאשר הגפרית רקע מספיקה, מישורי TMD הצמיחה היא מנגנון הצמיחה הדומיננטי, אשר תגרום בסרט2 של מוס אחיד לאחר ההליך sulfurization. אם הגפרית רקע שבפיהם, מו תחמוצת סגרגציה יהיה מנגנון הצמיחה הדומיננטי בשלב ההתחלתי של ההליך sulfurization. במקרה זה, ניתן להשיג את הדגימה עם מו תחמוצת אשכולות מכוסה עם כמה שכבת מוס2 . לאחר התצהיר מו רציפים/sulfurization ונהלים W התצהיר/sulfurization, אנכי WS2/MoS2 הטרו-מבנים נוצרים בעזרת טכניקה זו הצמיחה. פסגות ראמאן המתאים WS2 ו- MoS2, בהתאמה ומספר זהה שכבה של הטרו-המבנה עם הסיכום של חומרים 2D בודדים אישרו הקמת מוצלחת קריסטל 2D אנכי הטרו-מבנה. לאחר העברת WS2/MoS2 סרט על גבי מצע /Si2SiO עם אלקטרודות מראש עם תבנית מקור/ניקוז, טרנזיסטור התחתון-שער מפוברק. לעומת ה טרנזיסטור עם רק MoS2 ערוצים, הזרמים ניקוז גבוהה יותר של המכשיר עם WS2/MoS2 הטרו-מבנה שכישוריי כי עם כניסתה של קריסטל 2D הטרו-מבנים, מכשיר מעולה ניתן להשיג ביצועים. התוצאות חשפו את הפוטנציאל של טכניקה זו צמיחה עבור היישום המעשי של 2D הקריסטלים.
Introduction
אחת הגישות הנפוצות להשיג קריסטל 2D סרטים היא באמצעות קילוף מכני בצובר חומרים1,2,3,4,5. למרות קריסטל 2D סרטים עם גבישי באיכות גבוהה ניתן להשיג בקלות באמצעות שיטה זו, קריסטל 2D מדרגי הסרטים אינם זמינים דרך גישה זו, המהווה חסרון עבור יישומים מעשיים. זה הוכח בפרסומים קודמים כי שימוש בתצהיר אדים כימיים (CVD), קריסטל 2D שטח גדול ואחידה הסרטים יכולים להיות מוכן6,–7,–8,–9. הצמיחה ישירה של גראפן על מצעים ספיר, שכבה-מספר-לשליטה MoS2 סרטים שהוכנו על ידי חוזר מחזור הצמיחה באותו הם גם הפגינו באמצעות10,11טכניקה צמיחה CVD. בפרסום זה התבצעה אחת, בתוך מטוס WSe2/MoS2 הטרו-מבנה פתיתי הם גם מפוברק באמצעות טכניקה צמיחה12CVD. הטכניקה צמיחה CVD אמנם מבטיח במתן קריסטל 2D מדרגי סרטים, החיסרון העיקרי של טכניקה זו הצמיחה הוא שיש סימנים מקדימים שונים להיות ממוקם על 2D הקריסטלים השונים. התנאים צמיחה גם להשתנות בין 2D הקריסטלים השונים. במקרה זה, ההליכים הצמיחה יהפוך מורכב יותר כאשר הביקוש גדל קריסטל 2D הטרו-מבנים.
לעומת הטכניקה צמיחה CVD, sulfurization של מתכות מעבר מראש הופקדו סרטים סיפקה גישה צמיחה דומה אבל הרבה יותר פשוט TMDs13,14. מאז ההליך צמיחה כרוך רק התצהיר מתכת, ההליך sulfurization הבא, זה אפשרי לגדול TMDs שונים דרך אותם הליכים צמיחה. מצד שני, בקירות וצפיות מספר שכבות של 2D הקריסטלים יכול להיעשות גם על ידי שינוי את עוביים מתכות מעבר הפקיד מראש. במקרה זה, צמיחה אופטימיזציה שכבה מספר שליטה עד שכבה אחת נדרשים עבור TMDs שונה. הבנת מנגנוני גדילה הוא גם מאוד חשוב להקמת מסובך TMD הטרו-מבנים בשיטה זו.
זה נייר, מוס2 ו- WS2 סרטים מוכנים תחת נהלים דומים צמיחה של העדות מתכת ואחריו ההליך sulfurization. עם התוצאות המתקבל את sulfurization של סרטים מו תחת תנאים מספיקים, חסר גופרית, שני מנגנונים הצמיחה הם נצפו במהלך הליך sulfurization15. תחת התנאי מספיק גופרית, ניתן לקבל סרט2 מוס אחיד, שכבה-מספר-לשליטה לאחר ההליך sulfurization. כאשר המדגם הוא sulfurized בתנאי חסר גופרית, הגפרית רקע אינה מספיקה ליצור סרט2 MoS מלאה כך מו תחמוצת סגרגציה של coalescence יהיה המנגנון השולט בשלב צמיחה מוקדם. ניתן להשיג דגימה עם מו תחמוצת אשכולות מכוסה על ידי כמה שכבות של מוס2 לאחר הליך sulfurization15. באמצעות התצהיר מתכת רציפים ונהלים sulfurization הבאים, WS2/MoS2 אנכי הטרו-מבנים עם שכבה מספר בקירות וצפיות עד שכבה אחת ניתן להכין15,16. בעזרת טכניקה זו, מדגם מתקבל על מצע ספיר יחיד לארבעה אזורים: (I) ריק המצע ספיר, (II) עצמאי MoS2, WS (III)2/MoS2 הטרו-מבנה ו (IV) עצמאי WS217 . התוצאות מדגימים כי הטכניקה הצמיחה יש יתרון להקמת הטרו-מבנה גבישי 2D אנכי והוא מסוגל צמיחה סלקטיבית. ההופעות התקן המשופרת של קריסטל 2D הטרו-מבנים יציינו את הצעד הראשון לקראת יישומים מעשיים של 2D הקריסטלים.
Protocol
Representative Results
Discussion
לעומת חומרים מוליכים למחצה קונבנציונלי כגון סי GaAs, היתרון של חומרים 2D עבור התקן יישומים טמונה האפשרות של ייצור ההתקן עם גופי רזה מאוד עד כמה שכבות אטומיות. כאשר תעשיית סי מקדמות לתוך < 10 ננומטר טכנולוגיית צומת, יחס גבוה של Si סנפיר FET יגרום הארכיטקטורה התקן מתאים ליישומים מעשיים. לכן, חומרים 2…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמך בחלקה על ידי פרויקטים ביותר 105-2221-E-001-011-MY3 ביותר 105-2622-8-002-001 ממומן על ידי משרד המדע, הטכנולוגיה, טייוואן, בחלקו על ידי ממוקד הפרוייקט ממומן על ידי המרכז לחקר ללימודי מדעים חלה Sinica אקדמיה, טיוואן.
Materials
| 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. Single-layer MoS2 transistors. Nat. Nanotechnol. 6, 147-150 (2011).
- 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).
