Utarbeidelse av store området loddrett 2D Crystal Hetero-strukturer gjennom Sulfurization transisjonsmetall filmer apparat fabrikasjon
Summary
Gjennom sulfurization av pre avsatt overgangen metaller, kan store-området og loddrett 2D krystall hetero-strukturer fremstille. Filmen overføring og enheten fabrikasjon prosedyrer er også vist i denne rapporten.
Abstract
Vi har vist at gjennom sulfurization av transisjonsmetall filmer som molybden (Mo) og tungsten (W), store-området og uniform transisjonsmetall dichalcogenides (TMDs) MoS2 og WS2 kan være forberedt på safir underlag. Ved å kontrollere metallfilm tykkelser, kan gode lag nummer kontrollerbarhet, ned til en enkelt lag av TMDs, oppnås ved hjelp av denne veksten teknikken. Basert på resultatene fra Mo filmen sulfurized under forutsetning av mangelfull svovel, finnes det to mekanismer (a) planar MoS2 vekst og (b) Mo oksid segregering observert under sulfurization prosedyren. Når de bakgrunn svovel er tilstrekkelig, er Plane TMD veksten dominerende vekst mekanisme, som vil resultere i en ensartet MoS2 film etter den sulfurization. Hvis bakgrunnen svovel er mangelfull, være Mo oksid segregering dominerende vekst mekanismen i den innledende fasen av sulfurization prosedyren. I dette tilfellet blir prøven med Mo NOx klynger dekket med noen lag MoS2 innhentet. Etter sekvensiell Mo deponering/sulfurization og W deponering/sulfurization prosedyrer, loddrett WS2/MoS2 hetero-strukturer er etablert bruker denne veksten teknikken. Raman topper tilsvarer WS2 og MoS2, henholdsvis, og identiske lag antall hetero-strukturen med summering av individuelle 2D materialer bekreftet vellykket etablering av vertikal 2D krystall hetero-struktur. Etter overføring WS2/MoS2 film på en SiO2/Si underlaget med pre mønstret kilde/avløp elektroder, er en bunn-gate transistor fabrikkert. Sammenlignet med transistor med bare MoS2 kanaler, har høyere avløp strømninger av enheten med WS2/MoS2 hetero-strukturen vist det med innføring av 2D krystall hetero-strukturer, overordnet enhet ytelsen kan oppnås. Resultatene har avdekket potensialet i denne veksten teknikken for praktisk anvendelse av 2D krystaller.
Introduction
En av de vanligste tilnærmingene å få 2D krystall filmer bruker mekanisk peeling fra bulk materiale1,2,3,4,5. Selv om 2D krystall filmer med krystallinsk høykvalitets enkelt oppnås ved hjelp av denne metoden, er skalerbar 2D krystall filmer ikke tilgjengelige på denne tilnærmingen, som er uheldig for praktiske anvendelser. Det har vist i tidligere publikasjoner som bruker kjemiske damp avsetning (CVD), store-området og ensartet 2D krystall filmer kan være forberedt6,7,8,9. Direkte vekst av Grafén på safir underlag og lag-nummer-kontrollerbar MoS2 filmer forberedt ved å gjenta den samme vekstsyklusen er også demonstrert bruker CVD vekst teknikk10,11. I en fersk publikasjon, i-flyet WSe2/MoS2 hetero-struktur flak er også fremstille bruker CVD vekst teknikk12. Selv om CVD vekst teknikken er lovende å gi skalerbar 2D krystall filmer, er store ulempen av denne veksten teknikken at ulike forløpere må plasseres for forskjellige 2D krystaller. Vekst betingelsene varierer også mellom forskjellige 2D krystaller. I dette tilfellet blir vekst prosedyrene mer komplisert når etterspørselen vokser for 2D krystall hetero-strukturer.
Sammenlignet med CVD vekst teknikken, har sulfurization pre avsatt transisjonsmetall filmer gitt en lignende, men mye enklere vekst tilnærming for TMDs13,14. Siden vekst prosedyren innebærer bare metal avsettelse og sulfurization fremgangsmåten, er det mulig å vokse forskjellige TMDs gjennom de samme vekst fremgangsmåtene. På den annen side, kan lag nummer kontrollerbarhet av 2D krystallene også oppnås ved å endre pre avsatt transisjonsmetall tykkelser. I dette tilfellet vekst optimalisering og lag nummer kontroll til ett lag kreves for forskjellige TMDs. forstå vekst mekanismer er også svært viktig for etablering av kompliserte TMD hetero-strukturer ved hjelp av denne metoden.
I dette papiret, MoS2 og WS2 er filmer utarbeidet under lignende vekst prosedyrer for metal avsetning etterfulgt av sulfurization. Med resultatene fra sulfurization Mo filmer under svovel tilstrekkelig og mangelfulle forhold, er to vekst mekanismer observert under sulfurization prosedyre15. Under svovel tilstrekkelig tilstanden, kan en enhetlig og lag-nummer-kontrollerbar MoS2 film oppnås etter sulfurization prosedyren. Når prøven er sulfurized under forutsetning av mangelfull svovel, er bakgrunn svovel ikke tilstrekkelig til å danne en komplett MoS2 film slik at Mo oksid segregering og Koalesens vil være den dominerende mekanismen i begynnelsen vekst stadium. Et utvalg med Mo NOx klynger dekket av noen lag av MoS2 vil oppnås etter sulfurization prosedyre15. Gjennom sekvensiell metall avsettelse og sulfurization følgende, kan WS2/MoS2 loddrett hetero-strukturer med lag nummer kontrollerbarhet til ett lag tilberedes15,16. Bruker denne teknikken, en prøve er oppnådd på et enkelt safir substrat med fire områder: (I) tom safir substrat, (II) frittstående MoS2, (III) WS2/MoS2 hetero-struktur og (IV) frittstående WS217 . Resultatene viser at veksten teknikken er en fordel for etableringen av vertikal 2D krystall hetero-struktur og kan selektiv vekst. Forsterket enhet forestillinger av 2D krystall hetero-strukturer markerer første skritt mot praktiske anvendelser for 2D krystaller.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sammenlignet med konvensjonelle halvleder materiale som Si og GaAs, ligger fordelen av 2D materialer for enhet søknader i muligheten for enheten fabrikasjon med veldig tynne organer til flere atomic lag. Når Si industrien fremskritt innenfor den < 10 nm teknologien node, Si fin FET høy størrelsesforhold vil gjøre enheten arkitekturen uegnet for praktiske anvendelser. Dermed 2D materialer dukket opp på grunn av deres potensial til å erstatte Si for elektronisk enhet programmer.
Selv om m…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet var støttes delvis av prosjekter mest 105-2221-E-001-011-MY3 og mest 105-2622-8-002-001 finansiert av departementet for vitenskap og teknologi, Taiwan, og delvis av fokusert prosjektet finansiert av forskningssenteret 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 |
Referenzen
- 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).
