Preparação da grande-área Vertical 2D cristal Hetero-estruturas através da Sulfurization dos filmes de Metal de transição para a fabricação de dispositivo
Summary
Através do sulfurization de metais de transição previamente depositados, hetero-estruturas de grande área e vertical cristal 2D podem ser fabricados. O filme de transferência e os procedimentos de fabricação do dispositivo também são demonstrados neste relatório.
Abstract
Nós têm demonstrado que através da sulfurization dos filmes de metal de transição, tais como molibdênio (Mo) e o tungstênio (W), grande área e uniforme de metal de transição dichalcogenides (TMDs) MoS2 e WS2 pode ser preparada em substratos de safira. Controlando as espessuras de película do metal, controlabilidade número boa camada, até uma única camada de TMDs, pode ser obtida usando esta técnica de crescimento. Com base nos resultados obtidos a partir do filme de Mo sulfurizado sob a condição de deficiente de enxofre, existem dois mecanismos de crescimento de2 MoS (a) planar e (b) segregação de óxido Mo observada durante o procedimento de sulfurization. Quando o enxofre do fundo é suficiente, o crescimento de DTM planar é o mecanismo de crescimento dominante, que resultará em um filme de2 MoS uniforme após o procedimento de sulfurization. Se o enxofre do fundo é deficiente, segregação de óxido de Mo será o mecanismo de crescimento dominante na fase inicial do processo de sulfurization. Neste caso, a amostra com clusters de óxido Mo coberto com camada alguns MoS2 será obtida. Após a deposição de Mo sequencial/sulfurization e procedimentos de deposição/sulfurization W, vertical WS2/MoS2 hetero-estruturas são estabelecidos usando esta técnica de crescimento. Picos Raman correspondente ao WS2 e MoS2, respectivamente e o número da camada idêntica da hetero-estrutura com o somatório dos materiais individuais 2D confirmaram a criação bem sucedida do cristal 2D vertical hetero-estrutura. Após a transferência o WS2película de2 /MoS sobre um substrato de /Si SiO2com eletrodos de fonte/dreno previamente padronizada, um transistor da porta inferior é fabricado. Comparado com o transistor com apenas2 canais de MoS, as correntes de descarga maiores do dispositivo com o WS2/MoS2 hetero-estrutura que comparecemos com a introdução da hetero-estruturas de cristal 2D, dispositivo superior desempenho pode ser obtido. Os resultados revelaram o potencial desta técnica de crescimento para a aplicação prática dos cristais 2D.
Introduction
Uma das abordagens mais comuns para obter filmes 2D cristal está usando esfoliação mecânica de granel materiais1,2,3,4,5. Embora filmes cristal 2D com alta qualidade cristalina podem ser facilmente obtidos usando esse método, escalável cristal 2D filmes não são disponíveis através desta abordagem, o que é desvantajosa para aplicações práticas. Foi demonstrado em publicações anteriores que usando a deposição de vapor químico (CVD), filmes de grande área e uniforme cristal 2D podem ser preparado6,7,8,9. Crescimento direto de grafeno sobre substratos safira e filmes de2 camada-número-controláveis MoS preparados, repetindo o mesmo ciclo de crescimento são também demonstrada usando a técnica de crescimento do CVD10,11. Em uma recente publicação, WSe no plano2/MoS2 flocos de hetero-estrutura também são fabricados usando o CVD crescimento técnica12. Embora a técnica de crescimento de CVD é promissor no fornecimento de filmes de cristal 2D escaláveis, a grande desvantagem dessa técnica de crescimento é que diferentes precursores tem que ser localizado para cristais 2D diferentes. As condições de crescimento também variam entre diferentes cristais 2D. Neste caso, os procedimentos de crescimento vão se tornar mais complicados quando a demanda cresce para hetero-estruturas de cristal 2D.
Comparado com a técnica de crescimento de DCV, o sulfurization dos filmes de metal de transição previamente depositada tem prevista uma abordagem semelhante, mas muito mais simples crescimento TMDs13,14. Desde que o processo de crescimento envolve apenas a deposição de metais e o procedimento a seguir sulfurization, é possível crescer TMDs diferentes através dos mesmos procedimentos de crescimento. Por outro lado, a controlabilidade número de camada dos cristais 2D também pode ser alcançada alterando as espessuras de metal de transição previamente depositado. Neste caso, o crescimento otimização e camada número controle para baixo para uma única camada são necessários para diferentes TMDs. compreender mecanismos de crescimento também é muito importante para o estabelecimento de complicado DTM hetero-estruturas usando esse método.
Neste papel, MoS2 e WS2 filmes são preparados sob procedimentos semelhantes de crescimento da deposição metal seguido o procedimento de sulfurization. Com os resultados obtidos com o sulfurization dos filmes de Mo em condições suficientes e deficiente de enxofre, dois mecanismos de crescimento são observados durante o procedimento de sulfurization15. Sob a condição suficiente de enxofre, um filme de2 MoS camada-número-controláveis e uniforme pode ser obtido após o procedimento de sulfurization. Quando a amostra é sulfurizada sob a condição de deficiente de enxofre, o enxofre do fundo não é suficiente para formar um filme de2 MoS completo, tal que a segregação de óxido de Mo e coalescência será o mecanismo dominante na fase inicial de crescimento. Uma amostra com clusters de óxido Mo coberto por poucas camadas de MoS2 será obtida após o procedimento de sulfurization15. Através da deposição de metal sequencial e seguir os procedimentos sulfurization, WS2/MoS2 hetero-estruturas verticais com controlabilidade número de camada para baixo a uma única camada pode ser preparado de15,16. Usando esta técnica, uma amostra é obtida em uma única carcaça safira com quatro regiões: (I) em branco safira substrato, (II) standalone MoS2, (III) WS2/MoS2 hetero-estrutura e (IV) standalone WS217 . Os resultados demonstram que a técnica de crescimento é vantajosa para o estabelecimento de hetero-estrutura de cristal 2D vertical e é capaz de um crescimento seletivo. As performances de dispositivo aprimorado de hetero-estruturas de cristal 2D marcará o primeiro passo para aplicações práticas para cristais 2D.
Protocol
Representative Results
Discussion
Em comparação com materiais semicondutores convencionais como Si e GaAs, a vantagem dos materiais 2D para aplicativos de dispositivo reside na possibilidade de fabricação de dispositivo com corpos muito finas até várias camadas atômicas. Quando a indústria de Si avança para o < 10 nó de tecnologia nm, a alta proporção de fin de Si FET fará com que a arquitetura do dispositivo inadequado para aplicações práticas. Assim, materiais 2D surgiram devido a seu potencial para substituir a Si para aplicativos de d…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi financiado em parte por projetos mais 105-2221-E-001-011-MY3 e mais 105-2622-8-002-001 financiado pelo Ministério de ciência e tecnologia, Formosa e em parte pelo projecto focado, financiado pelo centro de pesquisa de ciências aplicadas, 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 |
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