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Engineering

Herstellung von großflächigen vertikale 2D Crystal Hetero-Strukturen durch Sulfurization Übergangsmetall Filme für Gerät Herstellung

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

Durch die Sulfurization der bereits hinterlegten Übergangsmetalle können großflächige und vertikale 2D Hetero-Kristallstrukturen hergestellt werden. Die Übertragung von Film und Gerät Herstellung Verfahren sind auch in diesem Bericht gezeigt.

Abstract

Wir haben gezeigt, dass durch die Sulfurization von Übergangsmetall-Filmen wie Molybdän (Mo) und Wolfram (W), großflächige und gleichmäßige Übergangsmetall Dichalcogenides (TMDs) MoS2 und WS2 auf Saphir-Substraten hergestellt werden können. Durch die Kontrolle der Metall Schichtdicken, gute Schicht Nummer Steuerbarkeit, bis auf eine einlagige TMDs, erhalten Sie mit dieser Technik Wachstum. Basierend auf den Ergebnissen aus dem Mo-Film unter den Schwefel mangelhaft Zustand sulfurized, gibt es zwei Mechanismen (a) planare MoS2 Wachstum und (b) Mo Oxid Segregation beobachtet während des Sulfurization-Verfahrens. Wenn der Hintergrund Schwefel ausreicht, ist planar TMD Wachstum der dominanten Wachstumsmechanismus, die nach dem Sulfurization Verfahren in einem einheitlichen MoS2 Film führen wird. Wenn der Hintergrund Schwefel unzulänglich ist, werden Mo-Oxid Segregation der dominanten Wachstumsmechanismus in der Anfangsphase des Verfahrens Sulfurization. In diesem Fall erhält man die Probe mit Mo Oxid Cluster mit paar-Schicht MoS2 bedeckt. Nachdem sequenziell Mo Ablagerung/Sulfurization und W Ablagerung/Sulfurization Verfahren, vertikale WS2/MoS2 Hetero-Strukturen mit dieser Technik Wachstum festgelegt sind. Raman Spitzen entsprechend WS2 und MoS2, und die Nummer der identische Ebene der Hetero-Struktur mit der Summe der einzelnen 2D Materialien haben die erfolgreiche Etablierung des vertikalen 2D Kristalls bestätigt. Hetero-Struktur. Nach der Übertragung der WS2/MoS2 Film auf einem SiO2/Si Substrat mit Pre-gemusterten Source/Drain-Elektroden, ist ein Bottom-Gate-Transistor hergestellt. Verglichen mit den Transistor mit MoS2 Kanälen, haben die höheren Abfluss Strömungen des Gerätes mit dem WS-2/MoS2 Hetero-Struktur, die mit der Einführung von 2D Hetero-Kristallstrukturen, überlegene Gerät ausgestellt Leistung erzielt werden kann. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass das Potential dieses Wachstum-Technik für die praktische Anwendung der 2D Kristalle.

Introduction

Einer der am häufigsten verwendeten Ansätze, 2D Kristall Filme zu erhalten nutzt mechanische Peeling von Bulk Material1,2,3,4,5. Obwohl 2D Kristall Filme mit hoher kristalliner Qualität leicht mit dieser Methode abgerufen werden können, stehen skalierbare 2D Kristall Filme nicht über dieses Konzept, das für praktische Anwendungen nachteilig ist. Es wurde in früheren Publikationen nachgewiesen, dass mit chemical Vapor Deposition (CVD), großflächige und gleichmäßige 2D Kristall Filme bereit6,7,8,9sein können. Direkte Wachstum von Graphen auf Saphir-Substraten und Layer-Anzahl-steuerbare MoS2 Filme vorbereitet durch die Wiederholung des gleichen Wachstumszyklus sind auch demonstriert mit CVD Wachstum Technik10,11. In einer kürzlich erschienenen Publikation hergestellt in der Ebene WSe2/MoS2 Hetero-Struktur Flocken auch sind die CVD Wachstum Technik12. Obwohl die CVD-Wachstum-Technik bei der Bereitstellung von skalierbaren 2D Kristall Filme vielversprechend ist, ist der große Nachteil dieser Technik Wachstum, dass verschiedene Vorstufen für verschiedene 2D Kristalle befinden. Auch variieren die Wachstumsbedingungen zwischen verschiedenen 2D Kristallen. In diesem Fall werden die Wachstum Verfahren komplizierter geworden, wenn Nachfrage für 2D Hetero-Kristallstrukturen wächst.

Im Vergleich mit der CVD-Wachstum-Technik, hat die Sulfurization der bereits hinterlegten Übergangsmetall Filme einen ähnliche, aber viel einfacher Growth-Ansatz TMDs13,14vorgesehen. Da das Wachstum-Verfahren nur Metallabscheidung und Sulfurization folgt beinhaltet, ist es möglich, verschiedene TMDs über das gleiche Verfahren Wachstum wachsen. Auf der anderen Seite kann die Schicht Nummer Regelbarkeit der 2D Kristalle auch erreicht werden, durch eine Änderung der bereits hinterlegten Übergangsmetall-dicken. In diesem Fall sind die Optimierung und Schicht Nummer Wachstumskontrolle auf einer einzigen Schicht erforderlich für verschiedene TMDs. Wachstum Mechanismen zu verstehen, ist auch sehr wichtig für den Aufbau von komplizierten TMD Hetero-Strukturen mit dieser Methode.

In diesem Papier, MoS2 und WS2 bereiten wir Filme unter ähnlichen Wachstum Verfahren der Metallabscheidung, gefolgt von dem Sulfurization-Verfahren. Mit den Ergebnissen aus den Sulfurization Mo Filme unter Schwefel ausreichend und mangelhaft sind zwei Wachstum Mechanismen während der Sulfurization Verfahren15beobachtet. Unter den Schwefel hinreichende Bedingung erhalten Sie eine einheitliche und Layer-Anzahl-steuerbare MoS2 -Film nach dem Sulfurization Verfahren. Wenn die Probe unter den Schwefel mangelhaft Zustand sulfurized, ist der Hintergrund Schwefel nicht ausreichen, um einen kompletten MoS2 Film zu bilden, so dass die Mo Oxid Segregation und Zusammenwachsen der vorherrschende Mechanismus in der frühen Wachstumsphase. Nach dem Sulfurization Verfahren15erhält man eine Probe mit Mo Oxid Cluster durch einige Schichten von MoS2 abgedeckt. Durch sequentielle Metallabscheidung und folgenden Sulfurization Verfahren kann WS2/MoS2 vertikale Hetero-Strukturen mit Schicht Nummer Kontrollierbarkeit auf einer einzigen Schicht15,16vorbereitet werden. Mit diesem Verfahren ergibt sich eine Probe auf einem einzigen Saphir Substrat mit vier Regionen: (I) leer Saphir Substrat, (II) Standalone MoS2, (III) WS2/MoS2 Hetero-Struktur und (IV) Standalone WS217 . Die Ergebnisse zeigen, dass die Wachstum-Technik vorteilhaft für die Einrichtung der vertikalen 2D Hetero-Kristallstruktur ist und in der Lage, selektives Wachstum ist. Die erweiterte Gerät Aufführungen von 2D Hetero-Kristallstrukturen markiert den ersten Schritt in Richtung praktische Anwendungen für 2D Kristalle.

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Protocol

1. Wachstum der einzelnen 2D Material (MoS2 und WS2)

  1. Übergangsmetall-Abscheidung mit einer RF-Sputter-system
    1. Ein sauber 2 x 2 cm2 Saphir Substrat befindet sich auf der Probenhalter mit der polierten Seite in Richtung der Ziele des Sputter-Systems für die Übergangsmetall-Abscheidung. Saphir-Substraten sind aufgrund Sapphires chemische Beständigkeit bei hohen Temperaturen und atomic-flache Oberflächen gewählt.
    2. Abpumpen der Sputter Kammer 3 x 10-6 Torr sequenziell über eine mechanische Pumpe, gefolgt von einer Diffusionspumpe.
    3. Injizieren Sie das Ar-Gas in die Sputteranlage und halten Sie den Gasfluss bei 40 mL/min mit Hilfe eines mass Flow Controllers (MFC).
    4. Halten Sie den Kammerdruck auf 5 x 10-2 mm Hg mit einem manuellem Druckregelventil und entzünden Sie das Ar-Plasma. Halten Sie die Ausgangsleistung 40 w.
    5. Der Kammerdruck, 5 x 10-3 mm Hg mit einem manuellen Rad Winkel-Sitzventil zu verringern.
    6. Manuell öffnen des Verschluss zwischen dem Saphir Substrat und das 2-Zoll-Metall-Ziel und die Metallabscheidung. Halten Sie bei der Abscheidung die Sputter macht bei 40 W für Mo und W. Der Hintergrund-Druck wird auf 5 × 10-3 Torr mit 40 mL/min Ar Gasstrom gehalten.
    7. Kontrollieren Sie die Sputter Zeit Übergangsmetall Filme mit unterschiedlichen dicken zu hinterlegen. Aufgrund der dünnen Metall Dicke bieten Sputtern mal bessere Kontrolle über die Schichtdicke als die Lesungen aus dem Quarzkristall-Resonator.
      Hinweis: Die Layer-Nummern von MoS2 und WS2 gewachsen, mit der Methode diskutiert im aktuellen Manuskript sind proportional zu den Sputter Zeiten der bereits hinterlegten Mo und W Filme. Die Ermittlung der Zeiten Sputtern, MoS2 und WS2 mit erforderlichen Layer-Nummern zu erhalten basiert auf die Cross-sectional hochauflösenden Übertragung Elektronenmikroskopie (HRTEM) Bilder für Proben mit unterschiedlichen Sputter Zeiten. Jedoch wenn die bereits hinterlegten Mo und W Filme zu dick sind, werden Mo und W Oxid Segregation der dominanten Wachstumsmechanismus anstelle von planaren MoS2 und WS2 Schichtwachstum. Daher ist die Verhältnismäßigkeit der Layer-Nummern mit der Sputter Zeit beschränkt sich auf wenige-Schicht TMDs. Mit dem Wachstum Zustand der MoS2 im aktuellen Manuskript werden die Layer-Nummern der Sputter Zeit proportionale wenn der MoS2 Film weniger als 10 Schichten ist. Sputter ist 30 s für das Wachstum von 5-lagigen MoS2.
  2. Die Sulfurization des Films Übergangsmetall
    1. Legen Sie die Saphir-Substraten mit bereits hinterlegten Übergangsmetall-Filme in der Mitte von einem heißen Ofen für Sulfurization.
    2. Legen Sie Schwefel (S) Pulver stromaufwärts des Gasflusses, 2 cm weg von der Heizzone des Ofens. In dieser Position wird die Verdampfungstemperatur für das S-Pulver 120 ° C sein, wenn die Substrattemperatur auf 800 ° c erhöht Steuern Sie präzise S Pulver Gewicht für verschiedene Übergangsmetalle für Sulfurization. In der Arbeit ist das S Pulver Gewicht 1,5 g für Mo und 1,0 g für W.
      Hinweis: Wir bestimmen Schwefel Pulver Mengen für die Zubereitung von MoS2 und WS2 Filme basierend auf den Ergebnissen für das jeweilige Material mit unterschiedlichen Mengen an Schwefelpulver zubereitet.
    3. Halten Sie den Ofendruck auf 0,7 mm Hg. Während des Sulfurization-Verfahrens wurde 130 mL/min Ar Gas als Trägergas eingesetzt.
    4. Rampe die Temperatur des Ofens von Raumtemperatur bis 800 ° C in 40 min mit einer Temperatur-Rampen-Rate von 20 ° C/min. halten die Temperatur bei 800 ° C, bis der Schwefelpulver vollständig verdunstet ist. Danach wird die Heizleistung abgeschaltet, um die Ofentemperatur zu senken. Es dauert ca. 30 bis 40 min. für den Ofen auf Raumtemperatur von 800 ° C.
  3. Durchzuführen Sie Raman-Spektrum-Messungen mit einem 488 nm Laser15,16,17. Erhalten Sie die Schnittbilder HRTEM um zu überprüfen, die Layer-Nummern der 2D Kristalle15,16,17.

(2) das Wachstum der WS2/MoS2 vertikale einzelne Hetero-Struktur

Hinweis: In diesem Abschnitt dient zum Erstellen einer einzigen Hetero-Struktur, bestehend aus einem Saphir Schicht mit 5 Schichten von MoS2 und 4 Schichten von WS2.

  1. Folgen Sie das gleiche Verfahren wie Schritt 1.1. Einzahlung den Mo-Film auf dem Saphir Substrat mit der RF Sputter-System mit einem 30 s Sputter-Zeit.
  2. Sulfurize wie folgt den gleichen Sulfurization wie Schritt 1.2 für das Wachstum der MoS2Mo-Film. Fünf Lagen MoS2 erhält man nach dem Sulfurization Verfahren.
  3. Folgen Sie die gleichen Verfahren wie Schritt 1.1. Einzahlung den W-Film auf dem MoS2/Saphir Substrat mit der RF Sputter-System mit einem 30 s Sputter-Zeit.
  4. Sulfurize nach dem gleichen Verfahren der Sulfurization Schritt 1.2 für das Wachstum der WS2W-Film. Vier Schichten von WS2 erhält man nach dem Sulfurization Verfahren auf die MoS-2 .
    Hinweis: Das Metalle Deposition und Sulfurization Verfahren ist identisch mit dem einzelnen Material. Die Sputter Zeiten der Mo und W Filme sind abhängig von der gewünschten Schicht Zahlen MoS2 und WS2 Schichten bestimmt. Doppel - oder multi-hetero-Strukturen kann durch Wiederholung der gleichen Wachstum festgestellt werden. Die Reihenfolge der TMDs in den vertikalen Hetero-Strukturen kann auch abhängig von der Probe-Struktur geändert werden.

(3) die Übertragung von Film und Gerät Herstellung Verfahren

  1. Die Übertragung von Verfahren der 2D Kristall Filme film
    1. Spin Mantel drei Tropfen Poly(methyl methacrylate) (PMMA) auf dem TMD Film um den ganzen Film bei Raumtemperatur zu decken. Die zweistufige Drehzahlen des Spinners sind 500 u/min für 10 s und 800 u/min für 10 s. Nach dem Aushärten bei 120 ° C für 5 min ist die PMMA-Dicke ca. 3 µm.
    2. Legen Sie die PMMA/TMD/Saphir-Probe in einer Petrischale gefüllt mit entionisiertem Wasser (DI).
    3. Ziehen Sie eine Ecke des PMMA/TMD Films vom Saphir Substrat mit einer Pinzette in VE-Wasser.
    4. Erhitzen Sie 250 mL 1 M KOH wässrige Lösung (14 g KOH Pellets gemischt mit 250 mL Wasser) in ein Becherglas auf 100 ° c Verschieben der Probenmaterials in den beheizten KOH wässriger Lösung und weiter peeling PMMA/TMD Film, bis der Film vollständig vom Substrat abgeschält. Peeling erfordert ungefähr 1 Minute in Anspruch.
    5. Verwenden Sie einen separaten Saphir Substrat um zu schöpfen die PMMA/TMD-Film von der KOH-Lösung. Verschieben des Films in eine 250 mL-Becherglas gefüllt mit VE-Wasser, waschen Sie KOH Rückstände auf dem Film. In diesem Stadium ist die Haftung zwischen dem PMMA/TMD-Film und das Saphir Substrat den Film Scoop schwach. Deshalb wird der Film vom Saphir Substrat nach dem Eintauchen ins Wasser DI de legen.
    6. Wiederholen Sie die Schritte 3.1.4 - 3.1.5 dreimal mit neuen DI-Wasser, um sicherzustellen, dass der Großteil der Rückstand KOH wird aus dem Film entfernt.
      Hinweis: Die Adhäsion zwischen jeder Schicht TMD ist viel stärker als TMDs mit dem Saphir Substrat. Daher kann die gleiche Übertragung von Verfahren auf einzelnen MoS2/WS2 Materialien oder ihre Hetero-Strukturen angewendet werden. Die 2D Kristall-Filme werden vollständig vom Substrat, abgeschält werden ähnlich dem Peeling der MoS2/graphene Hetero-Struktur in einer früheren Publikation18diskutiert. Je nach Zweck der Übertragung des Films kann das Substrat erwähnt in diesem Schritt ein Saphir Substrat oder SiO2/Si Substrat mit bereits hinterlegten Elektroden wie im Schritt 3.2 beschrieben. Andere Substrate können auch für diesen Zweck verwendet werden.
  2. Die Herstellung von 2D Kristall Transistoren.
    1. Verwenden Sie standard Photolithographie Elektrode Muster am SiO2/Si Substrate15,16,17zu definieren. Source und Drain Elektroden hergestellt von 10 nm Titan (Ti) oder 100 nm Gold (Au) werden auf einem 300 nm SiO2/p-type Si-Substrat hergestellt.
    2. Tauchen Sie die SiO2/Si Substrat mit Pre-gemusterten Source/Drain-Elektroden in das Becherglas mit VE-Wasser gefüllt und der TMD-Seite des Films PMMA/TMD zuordnen, wie in Schritt 3.1 vorbereitet.
    3. Backen Sie die Probe bei 100 ° C für 3 Minuten, nachdem der Film mit dem SiO2/Si Substrat, Wasser entfernen verbunden ist.
    4. Tropfen Sie drei aus PMMA auf der Probe mit dem PMMA/TMD Film zu bedecken die gesamte Oberfläche und machen den Film mehr fest auf dem Untergrund befestigt.
    5. Legen Sie die Probe in eine elektronische Trockenschrank für mindestens 8 Stunden vor dem Umzug mit dem nächsten Schritt fort.
    6. Füllen Sie zwei verschiedene 250 mL Becher mit Aceton. Tauchen Sie die Probe mit PMMA/TMD Film nacheinander in die zwei verschiedenen Becher gefüllt mit Aceton für 50 und 10 min, bzw. Entfernen Sie die obere PMMA-Schicht angebracht.
    7. Definieren des Transistor-Kanals mit standard Foto-Lithografie und reaktive Ionen Ätzen15,16,17. Hinteren Tor MoS2 und WS2/MoS2 Hetero-Struktur Transistoren sind vorgefertigte15,16,17. Die Kanal-Länge und Breite der Geräte sind 5 bis 150 μm, beziehungsweise.
    8. Verwenden Sie ein Zweikanal-Systems Sourcemeter-Instrument zur Messung der Strom-Spannungs-Kennlinien von Transistoren15,16,17.

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Representative Results

Das Raman-Spektrum und die Schnittbilder HRTEM der einzelnen MoS2 und WS2 hergestellt unter Verwendung der Sulfurization der bereits hinterlegten Übergangsmetalle sind in Figur 1a-b17, gezeigt. Zwei charakteristischen Raman-Spitzen für MoS2 und WS2, die in der Ebene entsprechen eingehalten werden Equation 1 und Out-of-Plane eine1 g Phonon Schwingungsmoden in den 2D Kristallen. Die Frequenz Unterschied Δk aus zwei Raman-Spitzen für die MoS2 Probe ist 24,1 cm-1, was darauf hindeutet, dass 4-5 Schichten von MoS2 19erreicht wurde. Es ist jedoch schwierig zu bestimmen, die mögliche Schichtnummer direkt von den großen Δk Wert 63,4 cm-1 WS217. Die Schnittbilder HRTEM zweier Proben, dargestellt in Abbildung 1 c-d, haben gezeigt, dass 5 und 4-lagigen MoS2 und WS2 bzw. für die beiden Proben gewonnen werden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass durch sulfurizing der Übergangsmetalle, großflächige und gleichmäßige MoS2 und WS2 Filme gewonnen werden können.

Das Cross-sectional HRTEM Bild des 1,0 nm Mo Films sulfurized unter den Schwefel mangelhaft Zustand zeigt Abbildung 2a, wobei Cluster mit paar-Schicht 2D Kristallen bedeckt beobachtet wurden. Diese Ergebnisse zeigten, dass zwei Wachstum Mechanismen während der Sulfurization Verfahren15beobachtet wurden. Unter den Schwefel hinreichende Bedingung fand Schwefel für Sauerstoff Reaktionen schnell so dass planare MoS2 die gesamte Probe in kurzer Zeit bedeckt. Planare MoS2 der Film auf der Oberfläche der Probe konnte weiter Material Migration verhindern, so dass eine einheitliche und Layer-Anzahl-steuerbare MoS2 -Film nach dem Sulfurization-Verfahren erzielt werden konnten. Wenn die Probe unter den Schwefel mangelhaft Zustand sulfurized war, war der Hintergrund Schwefel nicht ausreichen, um einen kompletten MoS2 Film zu bilden, so dass die Mo Oxid Segregation und Koaleszenz war der dominierende Mechanismus in der frühen Wachstumsphase. In diesem Fall würde eine Probe mit Mo Oxid Cluster paar-Schicht MoS2 fallenden nach dem Sulfurization Verfahren15bezogen werden. Die schematische Darstellung beschreibt das Modell die Übergangsmetall-Sulfurization ist in Abbildung 2 b15dargestellt. Da zwei Wachstum Mechanismen während des Sulfurization-Verfahrens beobachtet wurden, gab es eine Obergrenze für die Nummer der MoS2 Ebene mit einmaligen Wachstum.

Mit sequentieller Metallabscheidung mit Sulfurization Verfahren oben diskutierten, wurde ein WS2/MoS2 einzelne Hetero-Struktur nach zwei Verfahren der Übergangsmetall Ablagerung/Sulfurization vorbereitet. Die Raman-Spektren und die Cross-sectional HRTEM Bild der Probe sind in Abbildung 3a-b17dargestellt. Neben der charakteristischen Raman Spitzen entsprechend MoS2 und WS2, die identische Schichtnummer 9 mit der Summe der einzelnen 5 und 4-Layer-MoS-2 und WS2 legt nahe, dass die Probe ein WS2 war/ MoS2 einzelne Hetero-Struktur. Nach ähnlichen Verfahren Wachstum bereitete ein WS2/MoS2/WS2 Doppel Hetero-Struktur nach drei Verfahren der Übergangsmetall Ablagerung/Sulfurization. Die Raman-Spektren und die Cross-sectional HRTEM Bild der Probe werden in Abbildung 3 c-dangezeigt. Eine ähnliche Beobachtung der MoS2 und WS2 , die charakteristischen Raman Spitzen oben diskutierten, waren nur drei Schichten 2D Kristalle für dieses Beispiel beobachtet. Diese Ergebnisse haben gezeigt, dass (a) gute Schicht Nummer Kontrollierbarkeit auf einem einlagigen erworben wurde, für dieses Wachstum-Technik und (b) eine vertikale 2D Kristall, die doppelte Hetero-Struktur in drei Atomlage Dicke16hergestellt werden kann.

Ein weiteres Beispiel mit Hälfte-Bespannung Übergangsmetall Absetzung war bereit, die Möglichkeit, selektives Wachstum Wachstum Technik diskutiert in diesem Bericht zeigen. Durch Abschirmung die Hälfte der Saphir Substrat während der 1,0 nm Mo Abscheidung, könnte die Hälfte des Substrats mit MoS2 nach Sulfurization gedeckt werden. Danach wurde die Probe 90° zur Einzahlung W auf die Hälfte der Saphir Substrat decken gedreht. Das gleiche Sulfurization-Verfahren wurde wieder durchgeführt. In diesem Fall wurden vier Regionen mit (a) leer Saphir Substrat, (b) Standalone MoS2, (c) WS2/MoS2 Hetero-Struktur und (d) Standalone WS2 innerhalb einer einzigen Saphir Substrat17erhalten. Das Bild und die Raman-Spektren der vier verschiedenen Regionen auf der Probe sind in Abbildung 4dargestellt. Wie in der Abbildung dargestellt, wurden großflächige und gleichmäßige WS2 und MoS2 Filme und ihre vertikale Hetero-Strukturen gezielt auf demselben Saphir Substrat angebaut. Diese Ergebnisse haben gezeigt, dass neben der Gründung des vertikalen Hetero-Strukturen, die Wachstum-Methode von Übergangsmetall-Sulfurization selektiv 2D Kristalle auf Substraten wuchs. Diese Flexibilität kann praktisches Gerät Erfindungen basierend auf 2D Materialien und ihre Hetero-Strukturen mehr Raum verschaffen.

Um die Geräteleistung von Transistoren mit MoS2 und WS2/MoS2 vertikale Hetero-Struktur als Gerätekanäle zu vergleichen, wurden zwei Transistoren hergestellt, nach der Fertigung beschriebene in Schritt 3 von der Protokoll. Die schematische Darstellung zeigt die Herstellung Verfahren zeigt sich auch in Abbildung 5a. ID-VGS Kurven der Geräte bei VDS = 10 V sind in Abbildung 5 bgezeigt. Im Vergleich mit dem MoS-Transistor2 , wurde für die Hetero-Struktur-Gerät einen erheblichen Abfluss Stromanstieg beobachtet. Die Feldeffekt Mobilität-Werte der beiden Geräte mit MoS2 und WS2/MoS2 Hetero-Struktur als die Kanäle extrahiert aus den Kurven sind 0,27 bzw. 0,69 cm2/V·s. Unsere bisherigen Vorhersage des Elektroneninjektion von WS2 MoS2 und von höheren Elektron Konzentration Kanäle unter thermischen Gleichgewicht könnte für dieses Phänomen verantwortlich sein.

Nach der dünnen Mo Film Absetzung war die Probe zog aus der Sputter Kammer und Luft ausgesetzt. Da der Mo-Film sehr dünn ist, es war oxidiert und Mo Oxide unter Umgebungsbedingungen schnell gebildet. Die XPS-Kurve (Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie) der Probe bevor das Sulfurization Verfahren in Abbildung 6aangezeigt wird. Wie in der Abbildung gezeigt, wurde der Film von MoO2 und MoO3 vor dem Sulfurization Eingriff komponiert. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Mo-Film während der Übertragung von Verfahren aus der Sputter Kammer in den heißen Ofen oxidiert wurde. Die anderen zusätzlichen Nachweise für die Bildung der 2D Hetero-Kristallstruktur kann von der gleichwertigen selektive Radierung der 2D Hetero-Kristallstruktur gekommen sind. Zu diesem Zweck haben wir gezeigt, dass atomare Radierung für MoS2 und WS2 unter Verwendung von Low-Power-Sauerstoff Plasma Behandlung20erreicht werden kann. Gleichwertige selektiv Ätzen der vertikalen Hetero-Struktur können wir durch die Wiederholung der Atomlage Ätzen Verfahren. Das Raman-Spektrum der geätzten und UN-geätzten 4-lagigen WS2/3-layer MoS2 vertikale Hetero-Struktur sind in Abbildung 6dargestellt. Atomlage Radierung Zeiten entsprachen die Nummer der Ebene von WS2 (4 Mal). Die Beobachtungen von MoS2 und WS2 Raman Gipfel auf der UN-geätzten Region und MoS2 Signale nur über die geätzten Region, legen nahe, dass eine vertikale Hetero-Struktur gegründet wurde mit dem Wachstum Technik diskutiert in diesem Papier.

Figure 1
Abbildung 1: Einzelne 2D Kristalle von MoS2 und WS2. (a, b) Die Raman-Spektren und (c, d) Cross-sectional HRTEM Bilder von Standalone-MoS2 und WS2, bzw.17. Die Proben stammen von sulfurizing 1,0 nm Mo und W-Filme von einem Sputteranlage vorbereitet. Wie in den Raman-Spektren dargestellt, zwei charakteristischen Raman-Spitzen für MoS2 und WS2, das entsprach in der Ebene beobachtet wurden Equation 2 und Out-of-Plane Equation 3 Phonon Schwingungsmoden in den 2D Kristallen. Die Layer-Nummern von MoS2 und WS2 gewachsen, mit der Methode im aktuellen Manuskript diskutiert wurden proportional zu den Sputter Zeiten der bereits hinterlegten Mo und W Filme. Die Ermittlung der Zeiten Sputtern, MoS2 und WS2 mit erforderlichen Layer-Nummern zu erhalten basiert auf den HRTEM Schnittbilder für Proben mit unterschiedlichen Sputter Zeiten. Jedoch wenn die bereits hinterlegten Mo und W Filme zu dick sind, werden Mo und W Oxid Segregation der dominanten Wachstumsmechanismus anstelle der planaren MoS2 und WS2 Schichtwachstum. Daher beschränkte sich die Verhältnismäßigkeit der Layer-Nummern mit der Sputter Zeit auf paar-Schicht TMDs. Mit den Wachstumsbedingungen des MoS2 im aktuellen Manuskript werden die Layer-Nummern der Sputter Zeit proportionale wenn der MoS2 Film weniger als 10 Schichten ist. Sputter ist 30 s für das Wachstum von 5-lagigen MoS2. Diese Zahl wurde von Wu Et Al. modifiziert 17 Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: das Wachstumsmodell von Übergangsmetall-Sulfurization. (ein) Cross-sectional HRTEM Bild des 1,0 nm Mo Films sulfurized unter der mangelhaften Zustand Schwefel und (b) der schematischen Abbildung beschreibt das Modell für die Übergangsmetall-Sulfurization-15. Die Wachstumsbedingungen der Probe vorbereitet mit kein Schwefelpulver in den Ofen gelegt wird als der Schwefel mangelhaft Zustand bezeichnet. Da gibt es immer Rückstände Schwefel Akkumulation in der Nähe der nachgeschalteten Wachstum Kammer nach Wachstumszyklen zu wiederholen, ist zu erwarten, dass eine kleine Menge Schwefel noch auf die Probenoberfläche diffus und MoS2 Wachstum führen wird. Jedoch wird unter solchen Schwefel mangelhafte Bedingungen nicht alle vorher hinterlegte Mo MoS2umgewandelt werden. Diese Zahl wurde von Wu Et Al15geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: MoS2/WS2 Einzel - und Doppel-Hetero-Strukturen. Die Raman-Spektren und die Schnittbilder HRTEM WS2/MoS2 (a, b) Einzel- und (c, d) Hetero-Strukturen16,17. Wie gezeigt in das Raman-Spektrum, das Flugzeug Equation 2 und Out-of-Plane Equation 3 Phonon Schwingungsmoden von MoS2 und WS2 für die 2D Hetero-Kristallstrukturen eingehalten werden. Die Platten wurden von Chen Et Al. und Wu Et Al. modifiziert 16 , 17 Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: selektives Wachstum von 2D Kristallen. Das Bild und die Raman-Spektren von vier Regionen der Probe mit Hälfte-Bespannung Übergangsmetall Ablagerungen auf einer einzigen Saphir Substrat17vorbereitet. Raman-Spektren in der (ein) leere Saphir Substrat, (b) Standalone MoS2, (c) WS2/MoS2 Hetero-Struktur und (d) Standalone WS2 Regionen der Probe ergab Merkmal Raman Gipfeln. Diese Zahl wurde von Wu Et Al. modifiziert 17 Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5: Die Geräteleistung MoS2 und WS2/MoS2 vertikale Hetero-Struktur Transistoren. (ein) die Herstellung Verfahren der Transistoren mit dem MoS-2 und die WS2/MoS2 vertikale Hetero-Struktur als die Kanäle und (b) die ichD-VGS Kurven der beiden Geräte bei VDS = 10 V 17. die dicken von 1,0 nm für Mo und W Filme stammen aus den Lesungen des der Quarzkristall-Resonator. Die Sputter Zeiten waren 30 s für beide Materialien. Diese Zahl wurde von Wu Et Al. modifiziert 17 Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 6
Abbildung 6: Die Oxidation von bereits eingezahlten Mo Filme und gleichwertige selektives Ätzen von WS2/MoS2 vertikale Hetero-Strukturen. (ein) das XPS Kurve der Probe mit der bereits hinterlegten Mo-Film vor dem Sulfurization-Verfahren. Der Film besteht aus MoO2 und MoO3 vor dem Sulfurization-Verfahren. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Mo-Film während der Übertragung von Verfahren aus der Sputter Kammer in den heißen Ofen oxidiert wurde. (b) die Raman-Spektren der geätzten und UN-geätzten 4-lagigen WS2/3-layer MoS2 vertikale Hetero-Struktur. Nach vier Mal Atomlage Radierungen wurden nur MoS2 Spitzen auf der geätzten Region beobachtet; Zentrale B wurde von Chen Et Al. modifiziert 20 Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Verglichen mit konventionellen Halbleitermaterialien wie Si und GaAs, liegt der Vorteil von 2D Material für Geräteanwendungen in der Möglichkeit der Gerät-Fertigung mit sehr dünnen Körper bis zu mehreren Atomlagen. Wenn nachts die Si-Industrie in der < 10 nm Technologie Knoten, hohe Streckung des Si Fin FET machen die Gerät-Architektur für praktische Anwendungen ungeeignet. So entstanden die 2D Materialien aufgrund ihres Potenzials, Si für Anwendungen für elektronische Geräte zu ersetzen.

Obwohl das am meisten untersuchte 2D Material, Graphen, hohe Mobilität Werte aufweisen soll, führte naturgemäß keine Bandlücke zu kein aus-Zustand für die Graphen-Transistoren. In diesem Fall müssen andere 2D Materialien wie TMDs mit sichtbaren Bandgap-Werte in Betracht kommen. Heute ist die am häufigsten verwendete Ansatz, großflächige TMDs zu erhalten, der CVD-Technik zu verwenden. Obwohl diese Technik Wachstum großflächige und gleichmäßige TMD-Filme zur Verfügung stellt, ist die Wahl der geeigneten Vorstufen und verschiedenen Wachstum Temperaturen für verschiedene TMDs nachteilig für die Entwicklung der komplizierten Strukturen wie 2D material Hetero-Strukturen. In diesem Fall ist die Sulfurization von Übergangsmetallen wie in diesem Beitrag diskutiert einen vielversprechenden Ansatz für die Entwicklung von TMD Hetero-Strukturen geworden. Es ist möglich, verschiedene TMDs unter ähnlichen Bedingungen Sulfurization sulfurize.

Ein wichtiges Thema für das Wachstum der 2D Materialien ist die Schicht Nummer Kontrollierbarkeit. Die Schicht Nummer Regelbarkeit des MoS2 Films von sulfurizing Übergangsmetalle vorbereitet, wie in diesem Beitrag diskutiert wurde durch die Kontrolle der bereits hinterlegten Mo Schichtdicken erreicht. Die Dicke des Films Mo wurde durch Sputtern Zeit gesteuert. Im Falle von 30 s Sputter-Zeit, die Mo-Schichtdicke war schätzungsweise ~ 1 nm. Nach dem Sulfurization-Verfahren erhalten Sie fünf Schichten von MoS2 17. Bei 10 s Sputter-Zeit, eine Mono-Layer-MoS-2 erhalten Sie16.

Die größte Beschränkung dieser Wachstum-Methode liegt in der maximalen Layer-Nummern mit einmaligen Sulfurization. Wie im vorherigen Abschnitt nach der dünnen Mo Film Absetzung diskutiert wurde die Probe zog aus der Sputter Kammer und der Luft ausgesetzt. Da der Mo-Film sehr dünn war, es war oxidiert und Mo Oxide unter den Umgebungsbedingungen schnell gebildet. Daher, wenn der bereits hinterlegte Mo-Film zu dick ist, der planaren MoS2 nicht ausreichen, um Mo Oxid Trennung während des Sulfurization-Verfahrens zu verhindern und eine Probe mit Clustern von mehrschichtigen MoS2 für Mo Oxide erhalten werden. Mit den Wachstumsbedingungen in diesem Papier verabschiedet war die höchste MoS2 Schicht Zahl rund 10 mit einem einmaligen Wachstum radeln.

Um diesen Nachteil zu überwinden, wenn ein MoS2 Film mit einer Schicht Anzahl größer als 10 erforderlich ist, ist es möglich, die gleichen Wachstum zu wiederholen der Metallabscheidung und Sulfurization, den Film mit der erforderlichen Anzahl von Schichten11zu erhalten. Die Sulfurization der bereits hinterlegten Übergangsmetalle hat die Möglichkeit, skalierbare TMD Schichtwachstum gute Schicht Nummer Steuerbarkeit gegeben. Mit diesem Ansatz wurde die Einrichtung von vertikalen Hetero-Strukturen und selektives Wachstum auf Saphir-Substraten ebenfalls nachgewiesen. Die Wachstums-Technik diskutiert in diesem Papier markiert einen wichtigen Schritt für die praktische Anwendung der 2D Kristalle. Die verbesserte Geräteleistung von 2D Hetero-Kristallstrukturen kann 2D Materialien als möglicher Kandidat für die Entwicklung von elektronischen Geräten nm Größe. In Zukunft arbeiten, stapelnde 2D Materialien, verschiedene Hetero-Strukturen um verschiedene optische und elektrische Eigenschaften mit einzelnen Material zu erhalten werden ein wichtiges Thema für praktische Anwendungen sein.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde zum Teil durch Projekte am 105-2221-E-001-011-MY3 und am meisten 105-2622-8-002-001 finanziert vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taiwan, und zum Teil durch die fokussierte Projekt gefördert durch das Forschungszentrum für angewandte Wissenschaften, Academia Sinica unterstützt, Taiwan.

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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Herstellung von großflächigen vertikale 2D Crystal Hetero-Strukturen durch Sulfurization Übergangsmetall Filme für Gerät Herstellung
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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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