Подготовка большой площади вертикальной 2D кристалл гетеро-структур через Sulfurization переходных металлов фильмов для изготовления устройства
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.
Protocol
Representative Results
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 пропо?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
