Geniş alan dikey 2D Crystal Hetero-yapıları aracılığıyla geçiş metalleri filmleri Sulfurization cihaz imalat için hazırlanması
Summary
Önceden yatırılan geçiş metaller sulfurization, geniş alanlara ve dikey 2D kristal hetero-yapıları sahte olduğu. Film aktarma ve cihaz imalat işlemleri de bu raporda gösterilen.
Abstract
Biz bu molibden (Mo) ve tungsten (W), geniş alan gibi Geçiş metalleri filmlerin sulfurization aracılığıyla göstermiştir ve Geçiş metalleri dichalcogenides (TMDs) ecek2 üniforma ve WS2 safir yüzeylerde hazırlanabilir. Metal film kalınlığı kontrol ederek, TMDs, tek bir katman aşağı iyi katman numara kontrol edilebilirlik bu büyüme tekniği kullanılarak elde edilebilir. Kükürt eksik koşul altında sulfurized Mo film elde edilen sonuçlara dayanarak, (a) düzlemsel PT2 büyüme ve (b) sulfurization işlem sırasında gözlenen Mo oksit segregasyon iki mekanizma vardır. Arka plan kükürt yeterli olduğunda, düzlemsel TMD büyüme bir üniforma PT2 filmde sulfurization işlemden sonra neden olur baskın büyüme mekanizması var. Arka plan kükürt eksik ise, Mo oksit segregasyon baskın büyüme mekanizması sulfurization yordam ilk aşamada olacaktır. Bu durumda, örnek birkaç katman PT2 ile kaplı Mo oksit kümeleri ile elde edilir. Sıralı Mo ifade/sulfurization ve W ifade/sulfurization yordamlar, dikey WS2/MoS2 hetero-yapılar büyüme kullanılarak oluşturulduktan sonra. WS2 ve PT2, sırasıyla karşılık gelen Raman tepeler ve bireysel 2D malzemeleri toplamı heteroseksüel yapısıyla aynı katman sayısını dikey 2D kristal başarılı kurulması doğruladı hetero-yapısı. WS2/MoS2 film öncesi desenli kaynak/drenaj elektrotlar ile SiO2/sı substrat üzerine aktardıktan sonra alt-kapı transistörde fabrikasyon olduğunu. Sadece ecek2 kanalları ile transistör ile karşılaştırıldığında, daha yüksek drenaj akımları WS2/MoS2 hetero-yapısı cihazın bu 2D kristal hetero-yapıları, üstün aygıt girişi ile sergiledi performans elde edilebilir. Sonuçları bu büyüme teknik 2D kristallerinin pratik uygulama için potansiyelini ortaya çıkardı.
Introduction
2D kristal filmleri elde etmek için en sık kullanılan yaklaşımlardan birini toplu malzemeler1,2,3,4,5mekanik pul pul dökülme kullanıyor. Her ne kadar kaliteli kristal ile 2D kristal filmleri kolayca bu yöntemi kullanarak elde edilebilir, ölçeklenebilir 2D kristal filmler için pratik uygulamalar dezavantajlı Bu yaklaşımla kullanılabilir değil. Kimyasal Buhar biriktirme (CVD) kullanarak, geniş alanlara ve tek tip 2B kristal filmleri hazırlanan6,7,8,9olabilir önceki yayınlarda kanıtlanmıştır. Grafin safir yüzeylerde ve aynı büyüme döngüsü yineleyerek hazırlanan katman-sayı-kontrol edilebilir PT2 filmleri doğrudan büyüme vardır ayrıca gösterdiği CVD büyüme tekniği10,11kullanarak. Bir son yayında2/MoS2 hetero-yapı pul da uçak-WSe CVD büyüme tekniği12kullanılarak imal edilmiştir. CVD büyüme tekniği ölçeklenebilir 2D kristal filmleri sağlama konusunda umut verici olsa da, bu büyüme teknik büyük dezavantajı farklı öncüleri için farklı 2D kristalleri bulunduğu olması. Büyüme koşulları da farklı 2D kristalleri arasında değişir. Bu durumda, zaman talep için 2D kristal hetero-yapıları büyür büyüme yordamlar daha karmaşık olacaktır.
CVD büyüme tekniği ile karşılaştırıldığında, önceden yatırılan Geçiş metalleri filmlerin sulfurization benzer ancak daha basit büyüme yaklaşım TMDs13,14için sağlamıştır. Büyüme yordamı yalnızca metal birikimi ve sulfurization yordamını gerektirdiğinden, farklı TMDs olan aynı büyüme yordamları büyümeye mümkündür. Öte yandan, 2D kristalleri katman numara kontrol edilebilirlik da önceden yatırılan Geçiş metalleri kalınlıkları değiştirerek elde edilebilir. Bu durumda, tek bir katmanına büyüme en iyi duruma getirme ve katman numara kontrolü farklı TMDs. için gerekli büyüme mekanizmaları anlama da karmaşık TMD hetero-yapıları bu yöntemi kullanarak kurulması için çok önemli.
Bu kağıt, PT2 ve WS2 filmleri benzer büyüme yordamlar tarafından sulfurization prosedürü takip metal yükünün altında hazırlanır. Kükürt yeterli ve eksik koşullar altında Mo filmlerin sulfurization elde edilen sonuçlardan iki büyüme mekanizmaları sırasında sulfurization yordam15gözlenir. Kükürt yeterli koşul altında bir üniforma ve katman-sayı-kontrol edilebilir PT2 film sulfurization işlemden sonra elde edilebilir. Örnek kükürt eksik koşul altında sulfurized, arka plan kükürt Mo oksit segregasyon ve birleştirme erken büyüme aşamada baskın mekanizması olacak öyle ki tam bir ecek2 film oluşturmak yeterli değildir. Ecek2 kaç katmanları birleştirerek kaplı Mo oksit kümelere sahip bir örnek sulfurization yordam15sonra elde edilir. Sıralı metal birikimi ve aşağıdaki sulfurization yordamları, WS2/MoS2 dikey hetero-yapıları ile tek bir katmanına katman numara kontrol edilebilirlik15,16hazırlanabilir. Bu tekniği kullanarak, bir örnek üzerinde tek bir safir substrat dört bölgeler ile elde edilir: (I) safir substrat, (II) tek başına PT2, (III) WS2/MoS2 hetero-yapısı ve (IV) tek başına WS217 boş . Büyüme tekniği dikey 2D kristal hetero-yapısı kurulması için avantajlıdır ve seçici büyüme kapasitesine sahip sonuçlar gösterilmektedir. 2D kristal hetero-yapıları gelişmiş aygıt performansları pratik uygulamalar 2D kristalleri için atılan ilk adım işaretler.
Protocol
Representative Results
Discussion
Si ve GaAs gibi geleneksel yarı iletken malzemeler ile karşılaştırıldığında, uygulamalar cihaz için 2B malzeme avantajı çok atom katman aşağı çok ince organları ile cihaz imalat olasılığı yatıyor. Ne zaman Si sanayi gelişmeler içine < 10 nm teknolojisi düğüm, yüksek en/boy oranı Si fin FET yapacak aygıt mimarlık pratik uygulamalar için uygun olmayan. Böylece, 2D malzemeleri Si elektronik cihaz uygulamaları için değiştirmek için onların potansiyel nedeniyle ortaya çıkmıştır.
…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser kısmen projeleri en 105-2221-E-001-011-MY3 ve en 105-2622-8-002-Bakanlığı bilim ve teknoloji, Tayvan ve finanse 001 kısmen ile Uygulamalı Bilimler, Academia Sinica için araştırma merkezi tarafından finanse edilen odaklı projesi tarafından desteklenen, Tayvan.
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).
