Préparation de grande surface verticales Crystal hétéro-structures 2D par l’intermédiaire de la sulfuration de Films de métaux de Transition pour la Fabrication de dispositifs

L’objectif global de cette technique de croissance est d’établir des hétérostructures cristallines verticales 2D complexes, avec un bon contrôle du nombre de couches 2D, en utilisant des procédures de croissance similaires pour chaque matériau. Le principal avantage de cette technique simple est qu’elle utilise des procédures de croissance similaires pour différents matériaux 2D et qu’elle a une bonne contrôlabilité du nombre de couches. Cette technique peut aider à étudier les applications pratiques des hétérostructures verticales de matériaux 2D, car elle peut produire des hétérostructures cristallines verticales 2D plus grandes avec des propriétés de transit améliorées par rapport aux structures monomatériaux.

Pour commencer la procédure, montez un substrat saphir propre de deux centimètres sur deux centimètres sur l’étage d’échantillonnage d’un système de pulvérisation RF, avec le côté poli face à la cible en molybdène. Pompez la chambre d’échantillonnage à trois fois 10 puissance moins six tores. Injectez du gaz argon dans le système à 40 millilitres par minute et assurez-vous que la pression de la chambre est stable à cinq fois 10 puissance moins deux tores.

Allumez le plasma et réglez la puissance de sortie sur 40 watts. Réduire la pression de la chambre à cinq fois 10 puissance moins trois tores. Ensuite, ouvrez manuellement l’obturateur cible en molybdène et déposez le métal pendant 30 secondes.

Assurez-vous que la puissance de sortie reste constante tout au long du dépôt. Une fois la pulvérisation terminée, placez le substrat dans un porte-échantillon d’un quart avec le film métallique vers le haut. Placez le substrat au centre de la zone de chauffage d’un four tubulaire calibré.

Placez 1,5 gramme de poudre de soufre dans un bateau chauffant en alumine. Placez le bateau à deux centimètres en amont de la zone de chauffage de manière à ce que la température du soufre soit de 120 degrés Celsius lorsque le substrat atteint 800 degrés Celsius. Fermez et pompez le four à cinq fois 10 puissance moins trois tores.

Ensuite, faites circuler le gaz argon à travers le four à 130 millilitres par minute. Assurez-vous que la pression du four se stabilise à 0,7 tores. Faites passer le four de la température ambiante à 800 degrés Celsius à 20 degrés Celsius par minute.

Maintenez le four à 800 degrés Celsius jusqu’à ce que le soufre se soit complètement évaporé. Ensuite, éteignez le chauffage du four et laissez le substrat refroidir à température ambiante sous un flux d’argon. Ensuite, montez le substrat dans le système de pulvérisation RF avec le film de disulfure de molybdène face à la cible en tungstène.

Vaporisez du tungstène sur le substrat pendant 30 secondes en utilisant les mêmes réglages que pour le molybdène. Placez le substrat recouvert de tungstène au centre de la zone de chauffage du four et un gramme de poudre de soufre à deux centimètres en amont de la zone de chauffage. Sulfuriser le film de tungstène en utilisant les mêmes paramètres que pour le film de molybdène.

Pour commencer le transfert de la couche mince, appliquez une couche de trois gouttes de polyméthacrylate de méthyle sur une pellicule de dichalcogénure de métal de transition préparée pendant 10 secondes chacune à 500 et 800 rotations par minute. Faites durcir le PMMA à 120 degrés Celsius pendant cinq minutes. Ensuite, placez le substrat recouvert de PMMA dans une boîte de Pétri remplie d’eau désionisée.

À l’aide d’une pince à épiler à pointes rondes et plates, décollez soigneusement un coin du PMMA avec le film TMD attaché du substrat. Transférez le substrat dans une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium d’une molaire chauffée à 100 degrés Celsius. Décollez lentement et soigneusement l’ensemble du film PMMA TMD du substrat à l’aide d’une pince à épiler.

Prélevez le film PMMA TMD de la solution d’hydroxyde de potassium avec un autre substrat de saphir propre avec le côté poli face au film. Transférez le film dans un bécher d’eau déminéralisée. Transférez le film dans de l’eau fraîche déminéralisée trois fois de la même manière, pour vous assurer que l’hydroxyde de potassium résiduel est complètement éliminé.

Ensuite, obtenez un dioxyde de silicium de type P de 300 nanomètres d’épaisseur sur un substrat de silicium modelé avec des électrodes en titane ou en or. Immergez le substrat à motifs dans le bécher final d’eau déminéralisée et fixez soigneusement le film TMD au substrat. Faites cuire le substrat avec le film attaché à 100 degrés Celsius pendant trois minutes pour évaporer l’eau.

Couvrez la surface du substrat avec du PMMA pour vous assurer que le film est fermement fixé au substrat. Faites sécher le substrat dans une armoire de séchage électronique pendant huit heures. Ensuite, retirez la couche de PMMA et utilisez la photolithographie et la gravure ionique réactive pour fabriquer un transistor à hétérostructure TMD.

Le mécanisme de sulfuration du molybdène a été examiné avec le HRTEM. Dans des conditions riches en soufre, le soufre a rapidement remplacé l’oxygène des oxydes de molybdène, formant finalement un film uniforme avec un nombre contrôlable de couches. La ségrégation et la coalescence de l’oxyde de molybdène étaient le mécanisme de croissance précoce dominant dans des conditions de carence en soufre.

La spectroscopie Raman de films individuels de disulfure de molybdène et de disulfure de tungstène a montré chacun deux pics caractéristiques. HRTEM a montré cinq couches de disulfure de molybdène et quatre couches de disulfure de tungstène. Le dépôt séquentiel de métal a abouti à une hétérostructure verticale de disulfure de molybdène de tungstène.

Les deux séries de pics caractéristiques étaient apparentes dans le spectre des ramen. La formation d’une hétérostructure verticale de TMD a été soutenue par une gravure atomique répétée de couches individuelles de disulfure de tungstène jusqu’à ce qu’il ne reste que du disulfure de molybdène. Un transistor fabriqué avec une hétérostructure unique de disulfure de molybdène de tungstène présentait un courant de drain nettement plus élevé par rapport à un transistor fabriqué uniquement avec du disulfure de molybdène.

Le transistor à hétérostructure unique avait une valeur de mobilité à effet de champ plus élevée, ce qui pourrait être le résultat de l’injection d’électrons du disulfure de tungstène dans le disulfure de molybdène et des canaux avec des concentrations d’électrons plus élevées sous équilibre thermique. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’utiliser un équipement et des procédures présentées pour établir facilement des hétérostructures verticales de matériaux 2D pour différentes applications de dispositifs. Lors de l’utilisation de ce protocole, vous ne devriez avoir qu’à optimiser les puissances de pulvérisation, les temps de position et les températures de séparation de votre équipement pour obtenir des matériaux et des hétérostructures 2D de haute qualité.