Method Article

硫化过渡金属膜制备大面积垂直2D 晶体杂化结构

DOI:

10.3791/56494

⸱

November 28th, 2017

 ,  ,  , 
1Graduate Institute of Electronics Engineering, National Taiwan University, 2Research Center for Applied Sciences, Academia Sinica, 3Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

In This Article

Summary

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通过 pre-deposited 过渡金属的硫化, 可以制备大面积和垂直2D 晶体杂化结构。本报告还演示了薄膜传输和器件制作程序。

Abstract

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我们已经证明, 通过硫化过渡金属薄膜, 如钼 (钼) 和钨 (W), 大面积和均匀过渡金属 dichalcogenides (TMDs) MoS2和 WS2可以在蓝宝石衬底上制备。通过控制金属膜厚度, 可以利用这种生长技术获得良好的层数可控性, 降低到单层 TMDs。根据在硫缺乏条件下钼膜硫化的结果, 在硫化过程中, (a) 平面 MoS2生长和 (b) 钼氧化物的分离有两种机制。当背景硫充足时, 平面 TMD 的生长是主要的生长机制, 在硫化过程后会产生均匀的 MoS2膜。如果背景硫缺乏, 在硫化过程的初始阶段, 钼氧化物的分离将成为主要的生长机制。在这种情况下, 将获得覆盖有少量层 MoS2的 Mo 氧化物簇的样品。在连续 Mo 沉积/硫化和 W 沉积/硫化过程之后, 使用这种生长技术建立了垂直 WS2/MoS2杂化结构。分别对应于 WS2和 MoS2的拉曼峰值, 以及与单个2D 材料求和的异质结构的相同层数, 证实了垂直2D 晶体的成功建立异质结构。在将 WS2/MoS2胶片传输到带 pre-patterned 源/漏极的微晶2/Si 衬底上后, 制作了底栅极晶体管。与仅 mos2通道的晶体管相比, 具有 WS2/mos2异质结构的设备的更高的漏电流显示出, 随着2D 晶体异质结构的引入, 高级器件可以获得性能。研究结果揭示了这种生长技术在2D 晶体实际应用中的潜力。

Introduction

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获取2D 晶体薄膜的最常见方法之一是使用散装材料的机械剥离1,2,3,4,5。虽然采用这种方法可以很容易地获得高结晶质量的2D 晶体薄膜, 但这一方法不能获得可伸缩的2D 晶体薄膜, 这对实际应用是不利的。在以前的出版物中已经表明, 使用化学气相沉积 (CVD), 大面积和均匀的2D 晶体薄膜可以准备6,7,8,9。利用 CVD 生长技术10、11, 还演示了通过重复相同的生长周期制备的石墨烯基底和层数可控 MoS2薄膜的直接生长。在最近的一份出版物中, 在平面 WSe2/MoS2杂化结构薄片中也使用 CVD 生长技术12进行制....

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Protocol

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1. 单个2D 材料的增长 (MoS2和 WS2)

  1. 用射频溅射系统进行过渡金属沉积
    1. 一个干净的 2 x 2 cm2蓝宝石衬底放置在样品持有人与抛光的一面向溅射系统的目标的过渡金属沉积。蓝宝石基板的选择是由于蓝宝石在高温和原子平面表面的化学稳定性。
    2. 泵下溅射室到 3 x 10-6乇依次使用一个机械泵, 其次是扩散泵。
    3. 将 Ar 气体注入溅射系统, 并使用质量流量控制器 (MFC) 使气体流量保持在40毫升/分钟。
    4. 使用手动压力控制阀将腔室压力保持在 5 x 10-2乇上, 并点燃 Ar 等离子体。将输出功率保持在 40 W。
    5. 使用手动轮角锥阀将燃烧室压力降低到 5 x 10-3乇。
    6. 手动打开蓝宝石衬底与2英寸金属靶之间的快门, 并开始金属沉积。在沉积过程中, 将溅射功率保持在 40 w, 用于钼和钨。背景压力保持在 5 x 10-3乇与40毫升/分钟氩气流量。
    7. 控制溅射时间, 沉积不同厚度的过渡金属薄膜。由于金属厚度薄, 溅射时间将提供更好的控制膜厚度比从石英晶体谐振器的读数。
      注意: 使用当前原稿所讨论的方法生长的 MoS2和 WS2

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Results

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分别在图 1ab17中显示了使用 pre-deposited 过渡金属硫化制作的单个 MoS2和 WS2的拉曼光谱和横截面 HRTEM 图像。对 MoS2和 WS2的两个特征拉曼峰值分别进行了观测, 它对应于平面内的和2D 晶体中的一个figure-results-1 1g声子振动模式。mos2样本的两个拉曼峰值的频率差k为 24.1 cm-1, 这意味着 4-5 层的 mos2获得了19。但是, 很难直接从 WS217的大

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Discussion

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与传统的半导体材料如 Si 和 GaAs 相比, 2D 材料在器件应用中的优势在于有可能将极薄的物体分解成几个原子层。当 si 产业进入 < 10 纳米技术节点时, si 散热 FET 的高长宽比将使器件结构不适合实际应用。因此, 2D 的材料已经出现, 因为它们有可能取代 Si 的电子器件应用。

虽然最研究的2D 材料, 石墨烯, 预计将表现出高的流动性值, 其零带隙性质已导致没有关闭状态的石墨烯晶体管。在这种情况下, 其他2D 材料, 如 TMDs 与可见的带隙值已经考虑到。目前, 获得大面积 TMDs 的最常用方法是使用 CVD 技术。虽然这种生长技术确实提供了大面积和均匀的 TMD 薄膜, 但对不同 TMDs 的合适前驱体和不同生长温度的选择不利于2D 材料等复杂结构的发展。异质结构。在这种情况下, 本文所讨论的过渡金属的硫化, 已经成为建立 TMD 异质结构的一种有希望的方法。在类似的硫化条件下, 可以 sulfurize 不同的 TMDs。

2D 材料生长的一个重要问题是层数可控性。通过对 pre-deposite.......

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Disclosures

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作者没有什么可透露的。

Acknowledgements

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这项工作得到了部分支持, 其中大部分是由 105-2221-001-011-MY3 和最多 105-2622-8-002-001 的项目资助, 由科技部, 台湾, 并部分由应用科学研究中心资助的重点项目, 中央研究院,台湾。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
射频溅射设备Kao Duen TechnologyN/A
硫化炉创造纳米技术N/A
聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）Microchem8110788易燃
KOH，> 85%Sigma-Aldrich30603
丙酮，99.5%Echo ChemicalCMOS110
硫 （S）、99.5%Sigma-Aldrich13803
钼 （Mo）、99.95%Summit-TechN/A
钨 （W）、99.95%Summit-TechN/A
C 面蓝宝石衬底Summit-TechX171999（0001） ± 0.2 & 单面抛光
300 nm SiO2/Si 衬底Summit-Tech2YCDDMP 型硅衬底，电阻率：1-10 Ω · cm。
样品架（溅射系统）高段科技N/A陶瓷材料
机械泵（溅射系统）金发科D-330DK
扩散泵（溅射系统）金发科ULK-06A
质量流量控制器Brooks5850E最大氩气流量为 400 mL/min
手动轮式锥阀金莱N/A真空范围从 2500 ~1 次 10-8 torr
拉曼测量系统HoribaJobin Yvon LabRAM HR800
透射电子显微镜FeiTecnai G2 F20
培养皿Kwo YiN/A
镊子Venus2A
数字干燥柜Jwo Ruey 技术DRY-60
双通道系统源计Keithley2636B

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Moldt, T., et al. High-Yield Production and Transfer of Graphene Flakes Obtained by Anodic Bonding. ACS Nano. 5, 7700-7706 (2011).
  2. Choi, W., et al. High-Detectivity Multilayer MoS2 Phototransistors with Spectral Response from Ultraviolet to Infrared. Adv. Mater. 24, 5832-5836 (2012).
  3. Liu, H., Neal, A. T., Ye....

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Vertical 2D HeterostructuresTransition Metal SulfurizationTransition Metal DichalcogenidesMoS2 WS2 FilmsLayer Number ControlSapphire Substrate GrowthRF SputteringTube Furnace SulfurizationThin Film TransferTMD Transistor Fabrication

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