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Engineering

Preparación de gran superficie 2D cristal Hetero-estructuras verticales por el Sulfurization de películas de Metal de la transición para la fabricación de dispositivos

Published: November 28, 2017 doi: 10.3791/56494
Automatic Translation
1,2, 2,3, 1,2, 1,2
1Graduate Institute of Electronics Engineering, National Taiwan University, 2Research Center for Applied Sciences, Academia Sinica, 3Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

Summary

A través el sulfurization previamente depositados de metales de transición, se pueden fabricar cristal 2D área grande y vertical hetero-estructuras. Película de transferencia de los procedimientos de fabricación del dispositivo se demuestran también en este informe.

Abstract

Nos han demostrado que a través del sulfurization de películas de metal de la transición como molibdeno (Mo) y el tungsteno (W), gran superficie uniforme de metal de la transición dichalcogenides (TMDs) MoS2 y WS2 pueden prepararse sobre sustratos de zafiro. Mediante el control de los espesores de película metálica, controlabilidad número de buena capa, a una sola capa de TMDs, puede obtenerse con esta técnica de crecimiento. Basado en los resultados obtenidos de la película Mo sulfurizada bajo la condición de deficiencia de azufre, hay dos mecanismos de crecimiento de2 MoS (a) plano y (b) segregación de óxido Mo observada durante el procedimiento del sulfurization. Cuando el sulfuro del fondo es suficiente, crecimiento planar de TTM es el mecanismo de crecimiento dominante, que dará como resultado una película uniforme de2 MoS después del procedimiento sulfurization. Si el azufre del fondo es deficiente, segregación de óxido Mo será el mecanismo dominante de crecimiento en la fase inicial del procedimiento sulfurization. En este caso, se obtendrá la muestra con Mo óxido racimos cubiertos con capas algunos MoS2 . Después se establecen secuencial Mo deposición/sulfurization y W deposición/sulfurization procedimientos, vertical WS2/MoS2 hetero-estructuras utilizando esta técnica de crecimiento. Picos Raman correspondiente a WS2 y MoS2, respectivamente y el número de capa idéntica de la hetero-estructura con la adición de materiales 2D individuales han confirmado el establecimiento acertado del cristal 2D vertical hetero-estructura. Después de transferir el WS2la película2 /MoS en un SiO2/Si sustrato con los electrodos de la fuente previo modelado/vaciado, se fabrica un transistor de puerta inferior. En comparación con el transistor con sólo MoS2 canales, las corrientes de drenaje superiores del dispositivo con el WS2/MoS2 hetero-estructura han expuesto con la introducción de estructuras 2D cristal hetero-dispositivo superior rendimiento se puede obtener. Los resultados han revelado el potencial de esta técnica de crecimiento para la aplicación práctica de cristales 2D.

Introduction

Uno de los enfoques más comunes para obtener películas de cristal 2D utilizando exfoliación mecánica de bulto materiales1,2,3,4,5. Aunque películas de cristal 2D con alta calidad cristalina pueden obtenerse fácilmente utilizando este método, escalable de cristal 2D películas no están disponibles a través de este enfoque, que es para aplicaciones prácticas. En publicaciones anteriores se ha demostrado que mediante deposición de vapor químico (CVD), películas de cristal 2D área grande y uniforme pueden ser preparado6,7,8,9. Directa del grafeno sobre sustratos de zafiro y capa-número-controlable películas de2 MoS preparadas repitiendo el mismo ciclo de crecimiento son también demostrada mediante el CVD crecimiento técnica10,11. En una reciente publicación, WSe en el plano2/MoS2 escamas de hetero-estructura son también fabricados con el CVD crecimiento técnica12. Aunque la técnica CVD crecimiento es prometedora en la provisión de películas de cristal 2D escalables, la desventaja principal de esta técnica de crecimiento es que diferentes precursores deben colocarse para diferentes cristales 2D. Las condiciones de crecimiento también varían entre diferentes cristales 2D. En este caso, los procedimientos de crecimiento será más complicados cuando crece la demanda de cristal 2D hetero-estructuras.

En comparación con la técnica CVD crecimiento, el sulfurization de películas de metal previamente depositado de transición ha proporcionado un enfoque similar pero mucho más simple de crecimiento de TMDs13,14. Puesto que el procedimiento de crecimiento implica sólo deposición del metal y el siguiente procedimiento sulfurization, es posible cultivar diferentes TMDs a través de los mismos procedimientos de crecimiento. Por otro lado, la controlabilidad número de capa de los cristales de 2D también puede lograrse al cambiar los espesores de metal de transición previamente depositado. En este caso, son necesarios para diferentes TMDs. optimización y capa número control del crecimiento hacia una sola capa comprender mecanismos de crecimiento también es muy importante para el establecimiento de TMD hetero-estructuras complejas utilizando este método.

En este papel, MoS2 y WS2 películas son preparadas bajo procedimientos similares de crecimiento de la deposición de metal seguido por el procedimiento del sulfurization. Con los resultados obtenidos en el sulfurization de películas Mo condiciones azufre suficiente y deficiente, se observan dos mecanismos de crecimiento durante el sulfurization procedimiento15. Bajo la condición suficiente de azufre, una película de2 MoS uniforme y capa-número-controlable puede obtenerse después del procedimiento sulfurization. Cuando la muestra es sulfurizada bajo la condición de deficiencia de azufre, el sulfuro de fondo no es suficiente para formar una película completa de2 MoS que Mo óxido segregación y fusión será el mecanismo dominante en la etapa temprana de crecimiento. Se obtiene una muestra con Mo óxido racimos cubiertos por algunas capas de MoS2 después del sulfurization procedimiento15. A través de deposición de metal secuencial y procedimientos sulfurization, WS2/MoS2 hetero-estructuras verticales con la controlabilidad de número de capas a una sola capa puede ser preparado15,16. Usando esta técnica, se obtiene una muestra sobre un único sustrato de zafiro con cuatro regiones: () en blanco zafiro substrato, (II) independiente MoS2, (III) WS2/MoS2 hetero-estructura y (IV) independiente WS217 . Los resultados demuestran que la técnica de crecimiento es ventajosa para el establecimiento de la estructura vertical de cristal 2D hetero y es capaz de crecimiento selectivo. Las actuaciones del dispositivo realzado de cristal 2D hetero-estructuras marca el primer paso hacia aplicaciones prácticas para cristales 2D.

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Protocol

1. crecimiento Individual material 2D (MoS2 y WS2)

  1. Deposición de metal de la transición con un RF sistema de sputtering
    1. Un sustrato de2 zafiro limpio 2 x 2 cm se coloca en el portamuestras con la cara pulida hacia los objetivos del sistema de pulverización para la deposición de metal de la transición. Sustratos de zafiro son elegidos debido a la estabilidad química de zafiro en altas temperaturas y superficies planas atómica.
    2. Vaciado de la cámara de pulverización catódica a 3 x 10-6 torr secuencialmente utilizando una bomba mecánica seguida por una bomba de difusión.
    3. Inyectar el gas Ar en el sistema de pulverización catódica y mantener el flujo de gas a 40 mL/min utilizando un controlador de flujo másico (MFC).
    4. Mantener la presión en la cámara a 5 x 10-2 torr mediante una válvula de control de presión manual y encender el plasma de Ar. Mantener la potencia de salida a 40 w.
    5. Disminuir la presión en la cámara a 5 x 10-3 torr mediante una rueda manual válvula de asiento de ángulo.
    6. Manualmente, abra el obturador entre el substrato de zafiro y el blanco de metal de 2 pulgadas e iniciar la deposición de metal. Durante el procedimiento de deposición, mantener la potencia de pulverización catódica a 40 W de Mo y w el. La presión de fondo se mantiene en el 5 × 10-3 torr con 40 mL/min flujo de gas Ar.
    7. Controlar el tiempo de pulverización para depositar películas de metales de transición con diferentes espesores. Por el espesor de metal fino, farfulla veces proporcionará mayor control sobre el espesor de la película que las lecturas del resonador de cristal de cuarzo.
      Nota: Los números de la capa de MoS2 y WS2 crecido utilizando el método discutido en el manuscrito actual son proporcionales a los tiempos de pulverización de las películas de Mo y W previamente depositados. La determinación de farfulla veces obtener MoS2 y WS2 con los números de la capa requerida se basa en las imágenes de microscopía electrónica (HRTEM) transversal transmisión de alta resolución para las muestras con distintos tiempos farfulla. Sin embargo, si las películas previamente depositadas de Mo y W son demasiado gruesas, segregación de óxido de Mo y W se convertirá en el mecanismo de crecimiento dominante, en lugar de WS2 película crecimiento y planar MoS2 . Por lo tanto, la proporcionalidad de los números de la capa con los tiempos de pulverización se limita a algunas capas TMDs. Con la condición de crecimiento de MoS2 en el manuscrito actual, el número de capas será proporcional a los tiempos de pulverización cuando la película de2 MoS es menos de 10 capas. El tiempo de pulverización es 30 s para el crecimiento de la capa 5 MoS2.
  2. El sulfurization de la película de metal de la transición
    1. Colocar los sustratos de zafiro con las películas de metal de transición previamente depositado en el centro de un horno caliente para sulfurization.
    2. Coloque el polvo de azufre (S) aguas arriba del flujo de gas, 2 cm de la zona de calentamiento del horno. En esta posición, la temperatura de evaporación para el polvo S será 120 ° C cuando la temperatura del substrato aumenta a 800 ° C. Controlar con precisión el peso de S en polvo de diferentes metales de transición para el sulfurization. En el trabajo, S polvo pesa 1,5 g para Mo y 1,0 g de w el.
      Nota: Nos determinan cantidades de azufre en polvo para la preparación de MoS2 y WS2 películas basadas en los resultados obtenidos para cada material preparado usando diferentes cantidades de azufre en polvo.
    3. Mantenga la presión de horno en 0,7 torr. Durante el procedimiento del sulfurization, 130 mL/min gas Ar fue utilizado como gas portador.
    4. Rampa de la temperatura del horno a temperatura ambiente hasta 800 ° C en 40 minutos con una tasa de rampa de temperatura de 20 ° C/min mantener la temperatura a 800 ° C hasta que el polvo de azufre se evapora completamente. Después de eso, la potencia del calentador se apaga al bajar la temperatura del horno. Tarda alrededor de 30 a 40 minutos por el horno a temperatura de 800 ° C.
  3. Realizar mediciones de espectro de Raman usando un 488 nm láser15,16,17. Obtener las imágenes HRTEM transversales para verificar los números de la capa de los cristales 2D15,16,17.

2. el crecimiento de la WS2/MoS2 solo Hetero-estructura Vertical

Nota: Esta sección se utiliza para crear una única estructura de hetero que consiste en una capa de zafiro con 5 capas de MoS2 y 4 capas de WS2.

  1. Siga el mismo procedimiento que el paso 1.1. Depositar la película Mo sobre el sustrato de zafiro usando la RF sputtering sistema con 30 s tiempo de sputtering.
  2. Sulfurize la película Mo siguiendo los mismos procedimientos sulfurization paso 1.2 para el crecimiento de MoS2. Cinco capas de MoS2 se obtendrá después del procedimiento sulfurization.
  3. Siga el mismo procedimiento como paso 1.1. Depositar la película en el MoS2/zafiro substrato usando la RF sputtering sistema con 30 s tiempo de sputtering.
  4. Sulfurize la película siguiendo el mismo procedimiento sulfurization de paso 1.2 para el crecimiento de WS2. Cuatro capas de WS2 se obtendrá sobre el MoS2 después del procedimiento sulfurization.
    Nota: El procedimiento de deposición y sulfurization metal es el mismo que el material individual. Los tiempos de pulverización de las películas de Mo y W se determinan dependiendo de los números requiere capa de MoS2 y WS2 capas. Doble o múltiple-hetero-estructuras pueden establecerse repitiendo el mismo procedimiento de crecimiento. También se puede cambiar la secuencia de los TTM en las hetero-estructuras verticales dependiendo de la estructura de la muestra.

3. la transferencia de película y procedimientos de fabricación del dispositivo

  1. La película de transferencia de procedimiento de las películas de cristal 2D
    1. Giro de la capa tres gotas de poly(methyl methacrylate) (PMMA) en la película TMD para cubrir toda la película a temperatura ambiente. Las velocidades de rotación de dos etapas de la ruleta son 500 rpm durante 10 s y 800 rpm durante 10 s. Después de curado a 120 ° C durante 5 minutos, el espesor PMMA es alrededor de 3 μm.
    2. Coloque la muestra PMMA/TTM/zafiro en una placa de Petri que se llena con agua desionizada (DI).
    3. Pele una esquina de la película PMMA/TMD del substrato de zafiro con pinzas en agua desionizada.
    4. Calentar 250 mL de solución acuosa de KOH de 1 M (pellets de 14 g KOH mezclados con 250 mL de agua) en un vaso de precipitados de 100 ° C. Mover la muestra en la solución acuosa de KOH climatizada y seguir pelando la película PMMA/TMD hasta que la película es completamente pelada del substrato. Peeling requiere aproximadamente 1 minuto.
    5. Utilizar un sustrato de zafiro separado para sacar con pala encima de la película PMMA/TMD de la solución KOH. Mover la película a un vaso de precipitados de 250 mL con agua DI a lave el residuo KOH en la película. En esta etapa, la adherencia entre el film PMMA/TMD y el sustrato de zafiro para sacar la película es débil. Por lo tanto, la película-se fije del substrato de zafiro después de la inmersión en el agua de DI.
    6. Repita los pasos 3.1.4 - 3.1.5 tres veces usando DI agua para asegurarse de que la mayoría de los residuos de KOH se quita de la película.
      Nota: La adherencia entre cada capa de TTM es mucho más fuerte que TTM con el sustrato de zafiro. Por lo tanto, puede aplicarse el mismo procedimiento de transferencia individuales MoS2/WS2 los materiales o sus estructuras de hetero. Las películas de cristal 2D se ser completamente peladas del substrato, que es similar a la peladura de la MoS2/graphene hetero-estructura comentamos en una anterior publicación18. Dependiendo de la finalidad de la transferencia de la película, el sustrato mencionado en este paso puede ser un sustrato de zafiro o SiO2/Si sustrato con electrodos previamente depositados, como se describe en el paso 3.2. Otros sustratos pueden usarse para este propósito.
  2. La fabricación de transistores de cristal 2D.
    1. Utilizar estándar Fotolitografía para definir patrones de electrodo en SiO2/Si sustratos15,16,17. Fuente y dren electrodos 10 nm titanio (Ti) o oro de 100 nm (Au) se fabrican en un substrato de Si 300 nm SiO2/p-type.
    2. Sumerja el SiO2/Si substrato con patrón previamente fuente/drenaje electrodos en el vaso lleno de agua DI y adherir en la parte de TTM de la película PMMA/TTM como preparado en el paso 3.1.
    3. Cueza al horno la muestra a 100 ° C por 3 min, después de que la película se une al sustrato de /Si SiO2, para eliminar residuos de agua.
    4. Por goteo tres gotas de PMMA en la muestra con la película PMMA/TMD para cubrir toda la superficie y hacer la película más bien fijada al sustrato.
    5. Colocar la muestra en un gabinete seco electrónico durante al menos 8 h antes de pasar al siguiente paso.
    6. Llene dos vasos diferentes 250 mL con acetona. Sumerja la muestra adjunta con la película PMMA/TMD secuencialmente en los dos vasos diferentes llenados de acetona para 50 y 10 min, respectivamente, para eliminar la capa superior de PMMA.
    7. Definir el canal de transistor usando estándar foto-litografía y aguafuerte reactiva del ion15,16,17. Parte posterior-puerta MoS2 y WS2estructura hetero /MoS2 transistores son fabricados15,16,17. El canal largo y ancho de los dispositivos son 5 y 150 μm, respectivamente.
    8. Utilice un instrumento sourcemeter de sistema de doble canal para medir las características de corriente-voltaje de los transistores15,16,17.

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Representative Results

El espectro de Raman y las imágenes HRTEM transversales de cada MoS2 y WS2 fabricado usando el sulfurization previamente depositados de metales de transición se muestran en la Figura 1a-b17, respectivamente. Se observan dos picos Raman característicos para MoS2 y WS2, que corresponden a en el plano Equation 1 y hacia fuera-de-plano1 g modos de vibración del phonon en los cristales de 2D. La diferencia de frecuencia Δk de dos picos de Raman de la muestra de2 MoS es 24,1 cm-1, que indica que 4-5 capas de MoS2 se obtuvo19. Sin embargo, es difícil determinar el número de capas posible directamente de la gran Δk valor 63,4 cm-1 de WS217. Las imágenes HRTEM transversales de las dos muestras, que se muestra en la figura 1C-d, han revelado que de MoS de 5 y 4 capas2 y WS2 se obtienen para las dos muestras, respectivamente. Los resultados han demostrado que a través de sulfurizing los metales de transición, área grande y uniforme MoS2 y WS se pueden obtener películas2 .

La imagen HRTEM transversal de la película de Mo nm 1,0 sulfurizada bajo la condición de deficiencia de azufre se muestra en la Figura 2a, en donde se observaron los racimos cubiertos con capa de algunos cristales 2D. Estos resultados indicaron que los dos mecanismos de crecimiento fueron observados durante el sulfurization procedimiento15. Bajo la condición suficiente de azufre, sulfuro de oxígeno reacciones ocurrieron rápidamente tal que planar MoS2 cubre toda la muestra en un corto tiempo. Esta película de2 MoS plana sobre la superficie de la muestra podría prevenir más migración del material que se obtendría una película de2 MoS uniforme y capa-número-controlable después del procedimiento sulfurization. Sin embargo, cuando la muestra fue sulfurizada bajo la condición de deficiencia de azufre, el sulfuro de fondo no era suficiente para formar una película completa de2 MoS que Mo óxido segregación y fusión fue el mecanismo dominante en la etapa temprana de crecimiento. En este caso, se obtendría una muestra con Mo óxido racimos cubiertos por capas algunos MoS2 después del sulfurization procedimiento15. En 2b de la figura15se muestra el diagrama esquemático que describe el modelo del sulfurization metales de transición. Puesto que dos mecanismos de crecimiento fueron observados durante el procedimiento del sulfurization, había un límite para el número de capa2 de MoS con el crecimiento de una sola vez.

Con deposición de metal secuencial procedimientos sulfurization mencionados, un WS2/MoS2 solo hetero-estructura fue preparado después de dos procedimientos de deposición de metal de la transición/sulfurization. Los espectros Raman y la imagen HRTEM transversal de la muestra se muestran en la figura 3a-b17. Además de la característica Raman picos correspondientes a MoS2 y WS2, respectivamente, el número 9 de la capa idéntica con la suma de las individuales de 5 y 4 capas MoS2 y WS2 sugiere que la muestra era un WS2/ MoS2 solo hetero-estructura. Siguiendo procedimientos similares de crecimiento, un WS2/MoS2/WS2 doble hetero-estructura fue preparado después de tres procedimientos de deposición de metal de la transición/sulfurization. Los espectros Raman y la imagen HRTEM transversal de la muestra se muestran en la figura 3 c-d. Con una observación similar de MoS2 y WS2 que picos Raman característico comentadas anteriormente, se observaron sólo tres capas de cristales 2D para esta muestra. Estos resultados han puesto de manifiesto que la controlabilidad número (a) buena capa hasta una sola capa se obtuvo para esta técnica de crecimiento y (b) un cristal 2D vertical doble hetero-estructura puede establecerse en tres espesores de capa atómica16.

Se preparó otra muestra con la deposición del metal de transición que cubre el medio para mostrar la posibilidad de crecimiento selectivo mediante la técnica de crecimiento en este informe. Por blindar la mitad de sustrato de zafiro durante la deposición de Mo 1,0 nm, la mitad del sustrato podría cubrirse con MoS2 después sulfurization. Después de eso, la muestra fue rotada 90° W de depósito para cubrir la mitad del sustrato de zafiro. El mismo procedimiento sulfurization realizó otra vez. En este caso, se obtuvieron cuatro regiones con sustrato de zafiro (a) en blanco, (b) independiente MoS2, (c) WS2/MoS2 hetero-estructura y (d) independiente WS2 dentro de un sustrato de zafiro solo17. La imagen y los espectros Raman de las cuatro regiones diferentes en la muestra se muestran en la figura 4. Como se muestra en la figura, área grande y uniforme WS2 y MoS2 películas y sus hetero-estructuras verticales fueron cultivadas selectivamente sobre el mismo sustrato de zafiro. Estos resultados indican que además de la creación de estructuras verticales de hetero, el método de crecimiento del metal de la transición sulfurization creció selectivamente cristales 2D sobre sustratos. Esta flexibilidad puede dar más espacio a fabricaciones de dispositivo práctico partiendo de material 2D y sus estructuras de hetero.

Para comparar el rendimiento de los transistores con el MoS2 y WS2/MoS2 hetero-estructura vertical como canales del dispositivo, dos transistores fueron fabricados siguiendo el procedimiento de fabricación descrito en el paso 3 de la Protocolo. El diagrama esquemático mostrando el procedimiento de fabricación también se muestra en la figura 5a. ID-VGS curvas de los dispositivos en VDS = 10 V se muestran en la figura 5b. En comparación con el transistor MoS de2 , se observó un aumento corriente de drenaje substancial para el dispositivo de hetero-estructura. Los valores de efecto de campo de movilidad de los dos dispositivos con MoS2 y WS2/MoS2 hetero-estructura como los canales que se extrae de las curvas son 0.27 y 0,69 cm2/V·s, respectivamente. Nuestra predicción anterior de inyección electrónica de WS2 MoS2 y de más canales de concentración de electrones en equilibrio termal podría ser responsable de este fenómeno.

Después de la deposición de película delgada Mo, la muestra fue movida fuera de la cámara de sputtering y expuesta al aire. Puesto que la película de Mo es muy delgada, fue oxidado y forma óxidos Mo rápidamente bajo condiciones ambientales. La curva XPS (Espectroscopia de fotoelectrones de rayos x) de la muestra antes de que el procedimiento sulfurization se muestra en la Figura 6a. Como se muestra en la figura, la película fue compuesta por MoO2 y MoO3 antes del procedimiento sulfurization. Estos resultados sugieren que la película de Mo fue oxidada durante el procedimiento de transferencia de la cámara de pulverización en el horno caliente. Los otros documentos justificativos para la formación de la estructura de cristal 2D hetero puedan haber venido de la aguafuerte selectiva equivalente de la hetero-estructura de cristal 2D. Para ello, hemos demostrado que se puede conseguir ataque atómico de MoS2 y WS2 utiliza baja potencia oxígeno plasma tratamiento20. Podemos lograr grabado selectivo equivalente a la hetero-estructura vertical repitiendo la capa atómica procedimiento de grabado. El espectro Raman de lo grabado y no grabado 4 capas WS2/3-layer MoS2 hetero-estructura vertical se muestran en la figura 6b. Los tiempos de grabado de capa atómica eran constantes con el número de capas de WS2 (4 veces). Las observaciones de MoS2 y WS2 Raman picos en la región sin grabado y MoS2 señales sólo en la región de grabado al agua fuerte, sugieren que una hetero-estructura vertical fue establecida mediante la técnica de crecimiento en este papel.

Figure 1
Figura 1: Cristales 2D individuales de MoS2 y WS2. (a, b) Los espectros Raman y (c, d) el HRTEM transversal imágenes de independiente MoS2 y WS2, respectivamente17. Las muestras se obtienen por sulfurizing 1,0 nm Mo y W películas preparadas mediante un sistema de pulverización catódica. Como se muestra en los espectros de Raman, se observaron dos picos Raman característicos para MoS2 y WS2, que correspondió a en el plano Equation 2 y hacia fuera-de-plano Equation 3 modos de vibración del phonon en los cristales de 2D. Los números de la capa de MoS2 y WS2 crecido utilizando el método discutido en el manuscrito actual eran proporcionales a los tiempos de pulverización de las películas de Mo y W previamente depositados. La determinación de farfulla veces obtener MoS2 y WS2 con los números de la capa requerida se basa en las imágenes HRTEM transversales para las muestras con distintos tiempos farfulla. Sin embargo, si las películas previamente depositadas de Mo y W son demasiado gruesas, segregación de óxido de Mo y W se convertirá en el mecanismo de crecimiento dominante en vez de la WS2 película crecimiento y planar MoS2 . Por lo tanto, la proporcionalidad de los números de la capa con los tiempos de pulverización catódica fue limitada a algunas capas TMDs. Con las condiciones de crecimiento de MoS2 en el manuscrito actual, el número de capas será proporcional a los tiempos de pulverización cuando la película de2 MoS es menos de 10 capas. El tiempo de pulverización es 30 s para el crecimiento de la capa 5 MoS2. Esta figura ha sido modificada desde Wu et al. 17 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: el modelo de crecimiento de los metales de transición sulfurization. (a) el HRTEM transversal imagen de la película de Mo 1,0 nm había sulfurizado bajo la condición de deficiencia de azufre y (b) el diagrama esquemático que describe el modelo para los metales de transición sulfurization15. Las condiciones de crecimiento de la muestra preparada con no polvo de azufre en el horno se conoce como la condición de deficiencia de azufre. Ya que siempre hay acumulación de azufre residuos cerca de las aguas abajo de la cámara de crecimiento después de repetir los ciclos de crecimiento, se espera que una pequeña cantidad de azufre todavía difuso a la superficie de la muestra y dar lugar a crecimiento de2 MoS. Sin embargo, bajo tales condiciones de deficiencia de azufre, no todas la Mo previamente depositada se transformará en MoS2. Esta figura ha sido modificada desde Wu et al15. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: MoS2/WS2 single-doble-hetero-estructuras y. Los espectros Raman y las imágenes HRTEM transversales de WS2/MoS2 (a, b) simple y (c, d) hetero-estructuras16,17. Como se muestra en el espectro de Raman, el en el plano Equation 2 y hacia fuera-de-plano Equation 3 modos de vibración de phonon de MoS2 y WS2 se observan las hetero-estructuras de cristal 2D. Los paneles han sido modificados de Chen et al. y Wu et al. 16 , 17 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: crecimiento selectivo de cristales 2D. El cuadro y los espectros Raman de las cuatro regiones de la muestra preparada con deposiciones de metales de transición que cubre el medio sobre un sustrato de zafiro solo17. Espectros Raman en el (a) substrato zafiro blanco, (b) independiente de MoS2, (c) WS2/MoS2 hetero-estructura y (d) independiente WS2 regiones de la muestra revelaron características Los picos Raman. Esta figura ha sido modificada desde Wu et al. 17 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: El funcionamiento del dispositivo de MoS2 y WS2/MoS2 transistores verticales estructura hetero. (a) el procedimiento de fabricación de los transistores con el MoS2 y el WS2/MoS2 hetero-estructura vertical como los canales y (b) ID-VGS curvas de los dos dispositivos en VDS = 10 V 17. los espesores de 1.0 nm para películas de Mo y W fueron obtenidos de las lecturas del resonador de cristal de cuarzo. Los tiempos de pulverización fueron 30 s para ambos materiales. Esta figura ha sido modificada desde Wu et al. 17 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: La oxidación de las películas de Mo previamente depositadas y la aguafuerte selectiva equivalente de WS2/MoS2 hetero-estructuras verticales. (un) XPS la curva de la muestra con la película Mo previamente depositada antes del procedimiento sulfurization. La película se compone de MoO2 y MoO3 antes del procedimiento sulfurization. Estos resultados sugieren que la película de Mo fue oxidada durante el procedimiento de transferencia de la cámara de pulverización en el horno caliente. (b) el Raman spectra de la grabados y no grabada 4 capas WS2/3-layer MoS2 hetero-estructura vertical. Después de cuatro veces de aguafuertes de capa atómica, sólo picos de2 MoS fueron observadas en la región de grabado; Panel B se ha modificado de Chen et al. 20 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

En comparación con los materiales semiconductores convencionales como Si y GaAs, la ventaja de materiales 2D para aplicaciones de dispositivos radica en la posibilidad de la fabricación del dispositivo con los cuerpos muy delgados hasta varias capas atómicas. Cuando la industria Si se avanza en la < 10 nodo de la tecnología de nanómetro, el alto cociente de aspecto de la aleta Si FET hará que la arquitectura del dispositivo adecuado para aplicaciones prácticas. Así, han surgido materiales 2D debido a su potencial para reemplazar Si para aplicaciones de dispositivos electrónicos.

Aunque se espera que el material 2D más estudiado, grafeno, exhiben valores de alta movilidad, cero carácter bandgap ha llevado a ningún estado de apagado de los transistores de grafeno. En este caso, otros materiales 2D como TTM con bandgap visible valores han entrado en consideración. Hoy en día, el enfoque más común para obtener área grande TMDs es utilizar la técnica CVD. Aunque esta técnica de crecimiento proporciona películas TMD de área grande y uniformes, la elección de los precursores apropiados y las temperaturas de crecimiento diferentes para diferentes TMDs es desfavorable para el desarrollo de estructuras complejas como material 2D hetero-estructuras. En este caso, el sulfurization de metales de transición como se explica en este documento se ha convertido en un enfoque prometedor para el establecimiento de TMD hetero-estructuras. Es posible sulfurize TTM diferentes en condiciones similares de sulfurization.

Una cuestión importante para el crecimiento de materiales 2D es la controlabilidad número de capa. La controlabilidad número de capa de la película de2 MoS preparada por sulfurizing metales de transición como se discute en este trabajo se logró mediante el control de los espesores de película Mo previamente depositados. El espesor de la película Mo fue controlado por el tiempo de pulverización. En el caso de 30 s farfulla el tiempo, el espesor de la película Mo era estimada para ser ~ 1 nm. Después del procedimiento del sulfurization, cinco capas de MoS2 deben obtener17. En el caso de 10 s farfulla tiempo, una capa monomolecular MoS2 debe obtenerse16.

La principal limitación de este método de crecimiento se encuentra en los números de capa máxima con sulfurization una sola vez. Como se explica en la sección anterior, después de la deposición de película delgada Mo, la muestra fue movida fuera de la cámara de sputtering y expuesta al aire. Puesto que la película Mo era muy delgada, fue oxidado y forma óxidos Mo rápidamente bajo las condiciones ambientales. Por lo tanto, si la película Mo previamente depositada es demasiado gruesa, el planar MoS2 no será suficiente para evitar la segregación de óxido Mo durante el procedimiento del sulfurization y se obtiene una muestra con grupos de múltiples capas MoS2 que abarca óxidos Mo. Con las condiciones de crecimiento adoptadas en este trabajo, el mayor número de capas de2 MoS era alrededor de 10 con un crecimiento de un solo ciclo.

Para superar esta desventaja, si una película de2 MoS con un número de capa superior a 10 se requiere, es posible repetir el mismo procedimiento de crecimiento de deposición del metal y sulfurization para obtener la película con el número de capas11. El sulfurization previamente depositados de metales de transición ha dado la posibilidad de crecimiento de la película TMD escalable controlabilidad número de buena capa. Usando este acercamiento, el establecimiento de estructuras verticales de hetero y crecimiento selectivo sobre sustratos de zafiro también ha sido demostrado. La técnica de crecimiento discutida en este trabajo marcará un paso importante hacia la aplicación práctica de cristales 2D. Con el rendimiento mejorado de hetero-estructuras de cristal 2D, 2D materiales pueden ser un posible candidato para el desarrollo de dispositivos electrónicos de tamaño nm. En un futuro trabajos, apilando materiales 2D para establecer distintas estructuras de hetero para obtener diferentes propiedades ópticas y eléctricas con material individual será un tema importante para aplicaciones prácticas.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado en parte por proyectos más 105-2221-E-001-011-MY3 y más 105-2622-8-002-001 financiado por el Ministerio de ciencia y tecnología, Taiwán y en parte por el enfoque proyecto financiado por el centro de investigación de Ciencias aplicadas, Academia Sinica, Taiwán.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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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References

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Ingeniería número 129 Vertical 2D hetero-las estructuras cristalinas transición metal dichalcogenides sulfurization frecuencia de radio de la farfulla película de transferencia transistores
Preparación de gran superficie 2D cristal Hetero-estructuras verticales por el Sulfurization de películas de Metal de la transición para la fabricación de dispositivos
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Wu, C. R., Chu, T. W., Chen, K. C., Lin, S. Y. Preparation of Large-area Vertical 2D Crystal Hetero-structures Through the Sulfurization of Transition Metal Films for Device Fabrication. J. Vis. Exp. (129), e56494, doi:10.3791/56494 (2017).

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