Beredning av stora ytor vertikala 2D Crystal Hetero-strukturer genom Sulfurization övergången metall filmer för enheten Fabrication
Summary
Genom sulfurization av pre deponerade övergångsmetaller, kan stora ytor och vertikala 2D hetero-kristallstrukturer fabriceras. Filmen överföra och enheten fabrication förfaranden också visat i detta betänkande.
Abstract
Vi har visat att genom sulfurization övergången metall filmer såsom molybden (Mo) och volfram (W), stora ytor och enhetliga övergång metall dichalcogenides (TMDs) MoS2 och WS2 kan förberedas på safir substrat. Genom att kontrollera de metallfilm tjocklekar, kan bra lager nummer reglerbarhet, ner till ett enda lager av TMDs, erhållas med denna tillväxt-teknik. Baserat på resultat från Mo filmen sulfurized på svavel bristfälliga villkor, finns det två mekanismer (a) planar MoS2 tillväxt och (b) Mo oxid segregation observerats under förfarandet för sulfurization. När bakgrunden svavel är tillräcklig, är planar TMD tillväxt den dominerande tillväxt mekanismen, som kommer att resultera i en enhetlig MoS2 film efter sulfurization förfarandet. Om bakgrunden svavel är bristfällig, blir Mo oxid segregation dominerande tillväxt mekanismen i det inledande skedet av förfarandet sulfurization. I detta fall kommer provet med Mo oxid kluster täckt med några lager MoS2 att erhållas. Efter sekventiell Mo nedfall/sulfurization och W nedfall/sulfurization förfaranden, vertikal WS2/MoS2 hetero-strukturer etableras med denna tillväxt-teknik. Raman toppar motsvarande WS2 och MoS2, respektive, och antalet identiska lager av hetero-struktur med summering av individuella 2D material har bekräftat en framgångsrik etablering av vertikala 2D kristallen hetero-struktur. Efter överföring i WS2/MoS2 film på ett SiO2/Si substrat med pre mönstrade källa/avlopp elektroder, är en botten-gate transistor fabricerade. Jämfört med transistorn med bara MoS2 kanaler, högre avlopp strömmar av enheten med WS2/MoS2 hetero-struktur har ställt ut som med införandet av 2D hetero-kristallstrukturer, överlägsen enhet prestanda kan erhållas. Resultaten har visat potentialen i denna tillväxt teknik för den praktiska tillämpningen av 2D kristaller.
Introduction
En av de vanligaste strategierna att erhålla 2D crystal filmer använder mekanisk peeling från bulk material1,2,3,4,5. Även om 2D crystal filmer med kristallint högkvalitativa lätt kan erhållas med denna metod, är skalbar 2D crystal filmer inte tillgängliga via detta synsätt, som är ofördelaktig för praktiska tillämpningar. Det har visats i tidigare publikationer att använda kemisk förångningsdeposition (CVD), stora ytor och enhetlig 2D crystal filmer kan vara beredda6,7,8,9. Direkt tillväxt av grafen på safir substrat och lager-nummer-kontrollerbara MoS2 filmer förberett genom att upprepa samma tillväxt cykel är också påvisat använder CVD tillväxt teknik10,11. I en senaste publikation fabricerade i-plane WSe2/MoS2 hetero-struktur flingor är också använda CVD tillväxt teknik12. Även om CVD tillväxt tekniken är lovande att tillhandahålla skalbara 2D crystal filmer, är den stora nackdelen med denna tillväxt teknik att olika prekursorer måste finnas för olika 2D kristaller. Tillväxten villkorar varierar också mellan olika 2D kristaller. I detta fall blir förfaranden som tillväxt mer komplicerat när efterfrågan ökar för 2D hetero-kristallstrukturer.
Jämfört med CVD tillväxt tekniken, har sulfurization av pre deponerade övergång metall filmer lämnat en liknande men mycket enklare tillväxt strategi för TMDs13,14. Eftersom förfarandet tillväxt innebär endast metall nedfall och sulfurization följande, är det möjligt att odla olika TMDs genom samma tillväxt förfaranden. Å andra kan lager nummer verifierbarheten 2D kristaller även uppnås genom att ändra de redan deponerade övergång metall tjocklekar. I det här fallet tillväxt optimering och lager nummer kontroll ner till ett enda lager krävs för olika TMDs. förstå tillväxt mekanismer är också mycket viktigt för inrättandet av komplicerade TMD hetero-strukturer med denna metod.
I detta papper, MoS2 och WS2 tillagas filmer under liknande tillväxt förfaranden av metall nedfall följt av förfarandet för sulfurization. Med resultat från sulfurization Mo filmer under svavel tillräcklig och bristfälliga förhållanden, observeras två tillväxt mekanismer under de sulfurization förfarande15. Under svavel tillräcklig förutsättning, kan en enhetlig och lager-nummer-kontrollerbara MoS2 film erhållas efter förfarandet för sulfurization. När provet är sulfurized bristfällig förutsatt svavel, är bakgrunden svavel inte tillräckligt för att bilda en komplett MoS2 film så att den Mo-oxid segregation och återförening kommer att vara dominerande mekanismen i den tidiga tillväxtfas. Ett prov med Mo oxid kluster omfattas av några lager av MoS2 kommer att erhållas efter den sulfurization procedur15. Genom sekventiell metall nedfall och följande sulfurization procedurer, kan WS2/MoS2 vertikala hetero-strukturer med lager nummer reglerbarhet ner till ett enda lager förberedas15,16. Med denna teknik, erhålls ett prov på en enda safir substrat med fyra regioner: (I) tom safir substrat, (II) fristående MoS2, (III) WS2/MoS2 hetero-struktur och (IV) fristående WS217 . Resultaten visar att tillväxten tekniken är fördelaktiga för etableringen av vertikala 2D hetero-kristallstruktur och klarar av selektiv tillväxt. De förbättra enhet föreställningarna av 2D hetero-kristallstrukturer kommer att markera det första steget mot praktiska tillämpningar för 2D kristaller.
Protocol
Representative Results
Discussion
Jämfört med konventionella halvledarmaterial som Si och GaAs, ligger fördelen med 2D material för enheten i möjligheten att enheten fabrication med mycket tunna organ ner till flera Atom lager. När Si industrin framsteg in i den < 10 nm teknik nod, Si fin FET hög proportioner kommer att göra enheten arkitekturen olämpliga för praktiska tillämpningar. Således, 2D material har uppstått på grund av deras potential att ersätta Si för elektronisk anordning applikationer.
Även om de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete var stöds delvis av projekt mest 105-2221-E-001-011-MY3 och mest 105-2622-8-002-001 finansieras av ministeriet för vetenskap och teknik, Taiwan, och delvis av fokuserade projektet finansieras av Research Center for Applied Sciences, Academia Sinica, Taiwan.
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).
