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

El objetivo general de esta técnica de crecimiento es establecer heteroestructuras cristalinas 2D verticales complejas, con un buen control sobre el número de capas 2D, utilizando procedimientos de crecimiento similares para cada material. La principal ventaja de esta sencilla técnica es que utiliza procedimientos de crecimiento similares para diferentes materiales 2D y tiene una buena capacidad de control del número de capas. Esta técnica puede ayudar a investigar las aplicaciones prácticas de las heteroestructuras verticales de materiales 2D, ya que puede producir heteroestructuras de cristales 2D verticales más grandes con propiedades de transitor mejoradas en comparación con las estructuras de un solo material.

Para comenzar el procedimiento, monte un sustrato de zafiro limpio de dos centímetros por dos centímetros en el plano C de la etapa de muestra de un sistema de pulverización catódica de RF, con el lado pulido orientado hacia el objetivo de molibdeno. Bombee la cámara de muestras a tres veces 10 hasta los seis pares negativos. Inyecte gas argón en el sistema a 40 mililitros por minuto y asegúrese de que la presión de la cámara sea estable en cinco veces 10 por los dos pares negativos.

Encienda el plasma y ajuste la potencia de salida a 40 vatios. Reduzca la presión de la cámara a cinco veces 10 elevado a los tres pares negativos. A continuación, abra manualmente el obturador del objetivo de molibdeno y deposite el metal durante 30 segundos.

Asegúrese de que la potencia de salida permanezca constante durante toda la deposición. Cuando haya terminado la pulverización catódica, coloque el sustrato en un portamuestras de un cuarto de galón con la película metálica hacia arriba. Coloque el sustrato en el centro de la zona de calentamiento de un horno tubular calibrado.

Coloque 1,5 gramos de azufre en polvo en un bote de calentamiento de alúmina. Coloque el bote dos centímetros aguas arriba de la zona de calentamiento para que la temperatura del azufre sea de 120 grados centígrados cuando el sustrato alcance los 800 grados centígrados. Cierre y bombee el horno a cinco veces 10 elevado a los tres pares negativos.

Luego, haga fluir el gas argón a través del horno a 130 mililitros por minuto. Asegúrese de que la presión del horno se estabilice en 0,7 tores. Aumente el horno desde la temperatura ambiente hasta 800 grados Celsius a 20 grados Celsius por minuto.

Mantenga el horno a 800 grados centígrados hasta que el azufre se haya evaporado por completo. Luego, apague el calor del horno y deje que el sustrato se enfríe a temperatura ambiente bajo un flujo de argón. A continuación, monte el sustrato en el sistema de pulverización catódica de RF con la película de disulfuro de molibdeno orientada hacia el objetivo de tungsteno.

Pulverize tungsteno sobre el sustrato durante 30 segundos utilizando los mismos ajustes que para el molibdeno. Coloque el sustrato recubierto de tungsteno en el centro de la zona de calentamiento del horno y un gramo de polvo de azufre dos centímetros aguas arriba de la zona de calentamiento. Sulfinar la película de tungsteno utilizando los mismos parámetros que para la película de molibdeno.

Para comenzar la transferencia de película delgada, centrifuga tres gotas de polimetacrilato de metilo sobre una película de dicalcogenuro de metal de transición preparada durante 10 segundos cada una a 500 y 800 rotaciones por minuto. Cura el PMMA a 120 grados centígrados durante cinco minutos. A continuación, coloque el sustrato recubierto de PMMA en una placa de Petri llena de agua desionizada.

Utilice pinzas con puntas redondas y planas para despegar con cuidado una esquina del PMMA con la película TMD adjunta del sustrato. Transfiera el sustrato a una solución acuosa de hidróxido de potasio de un molar calentada a 100 grados Celsius. Despegue lenta y cuidadosamente toda la película TMD de PMMA del sustrato con unas pinzas.

Recoja la película TMD de PMMA de la solución de hidróxido de potasio con otro sustrato de zafiro limpio con el lado pulido hacia la película. Transfiera la película a un vaso de precipitados con agua desionizada. Transfiera la película a agua desionizada dulce tres veces más de la misma manera, para asegurarse de que el hidróxido de potasio residual se elimine por completo.

A continuación, obtenga un dióxido de silicio tipo P de 300 nanómetros de espesor sobre sustrato de silicio modelado con electrodos de titanio u oro. Sumerja el sustrato estampado en el vaso de precipitados final de agua desionizada y adhiera con cuidado la película TMD al sustrato. Hornee el sustrato con el film adjunto a 100 grados centígrados durante tres minutos para evaporar el agua.

Cubra la superficie del sustrato con PMMA para asegurarse de que la película esté firmemente adherida al sustrato. Seque el sustrato en un armario de secado electrónico durante ocho horas. A continuación, retira la capa de PMMA y utiliza la fotolitografía y el grabado iónico reactivo para fabricar un transistor de heteroestructura TMD.

El mecanismo de sulfuración del molibdeno se examinó con HRTEM. En condiciones ricas en azufre, el azufre reemplazó rápidamente el oxígeno de los óxidos de molibdeno, formando finalmente una película uniforme con un número controlable de capas. La segregación y coalescencia de óxido de molibdeno fue el mecanismo de crecimiento temprano dominante en condiciones de deficiencia de azufre.

La espectroscopia Raman de películas individuales de disulfuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno mostró dos picos característicos. El HRTEM mostró cinco capas de disulfuro de molibdeno y cuatro capas de disulfuro de tungsteno. La deposición secuencial de metal dio lugar a una heteroestructura vertical de disulfuro de tungsteno y disulfuro de molibdeno.

Ambos conjuntos de picos característicos eran evidentes en el espectro del ramen. La formación de una heteroestructura vertical de TMD fue apoyada por el grabado atómico repetido de capas individuales de disulfuro de tungsteno hasta que solo quedó el disulfuro de molibdeno. Un transistor fabricado con una heteroestructura única de disulfuro de tungsteno y disulfuro de molibdeno mostró una corriente de drenaje sustancialmente mayor en comparación con un transistor fabricado solo con disulfuro de molibdeno.

El transistor de heteroestructura única tenía un valor de movilidad de efecto de campo más alto, que podría haber sido el resultado de la inyección de electrones de disulfuro de tungsteno a disulfuro de molibdeno y de canales con concentraciones de electrones más altas en equilibrio térmico. Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo usar un equipo y los procedimientos que se muestran para establecer fácilmente heteroestructuras verticales de material 2D para diferentes aplicaciones de dispositivos. Al utilizar este protocolo, solo debería necesitar optimizar las potencias de pulverización catódica, los tiempos de posición y las temperaturas de separación de su equipo para obtener materiales 2D y heteroestructuras de alta calidad.