Preparazione di grande superficie 2D cristallo etero-strutture verticali attraverso il Sulfurization di film di metalli di transizione per la fabbricazione di dispositivi

L'obiettivo generale di questa tecnica di crescita è quello di stabilire complesse eterostrutture cristalline verticali 2D, con un buon controllo sul numero di strati 2D, utilizzando procedure di crescita simili per ciascun materiale. Il vantaggio principale di questa semplice tecnica è che utilizza procedure di crescita simili per diversi materiali 2D e ha una buona controllabilità del numero di strati. Questa tecnica può aiutare a studiare le applicazioni pratiche delle eterostrutture verticali dei materiali 2D in quanto può produrre eterostrutture verticali dei cristalli 2D più grandi con proprietà di transitorio migliorate rispetto alle strutture a singolo materiale.

Per iniziare la procedura, montare un substrato di zaffiro pulito di due centimetri per due centimetri sul tavolino del campione di un sistema di sputtering RF, con il lato lucido rivolto verso il bersaglio di molibdeno. Pompare la camera del campione fino a tre volte 10 fino ai sei litri negativi. Iniettare gas argon nel sistema a 40 millilitri al minuto e assicurarsi che la pressione della camera sia stabile a cinque volte 10 rispetto ai due litri negativi.

Accendi il plasma e imposta la potenza in uscita a 40 watt. Ridurre la pressione della camera a cinque volte 10 fino ai tre strappi negativi. Quindi, aprire manualmente l'otturatore target in molibdeno e depositare il metallo per 30 secondi.

Assicurarsi che la potenza erogata rimanga costante durante la deposizione. Al termine dello sputtering, posizionare il substrato in un portacampioni da un litro con la pellicola metallica rivolta verso l'alto. Posizionare il substrato al centro della zona di riscaldamento di un forno tubolare calibrato.

Metti 1,5 grammi di polvere di zolfo in una barca riscaldante di allumina. Posiziona la barca due centimetri a monte della zona di riscaldamento in modo che la temperatura dello zolfo sia di 120 gradi Celsius quando il substrato raggiunge gli 800 gradi Celsius. Chiudere e pompare il forno fino a cinque volte 10 fino ai tre strappi negativi.

Quindi, far fluire il gas argon attraverso il forno a 130 millilitri al minuto. Assicurarsi che la pressione del forno si stabilizzi a 0,7 tores. Ramp il forno da temperatura ambiente a 800 gradi Celsius a 20 gradi Celsius al minuto.

Tenere il forno a 800 gradi Celsius fino a quando lo zolfo non è completamente evaporato. Quindi, spegni il fuoco del forno e lascia raffreddare il substrato a temperatura ambiente sotto un flusso di argon. Quindi, montare il substrato nel sistema di sputtering RF con la pellicola di bisolfuro di molibdeno rivolta verso il bersaglio di tungsteno.

Sputtering tungsteno sul substrato per 30 secondi utilizzando le stesse impostazioni del molibdeno. Posizionare il substrato rivestito di tungsteno al centro della zona di riscaldamento del forno e un grammo di polvere di zolfo due centimetri a monte della zona di riscaldamento. Solforizzare il film di tungsteno utilizzando gli stessi parametri del film di molibdeno.

Per iniziare il trasferimento del film sottile, centrifugare tre gocce di polimetilmetacrilato su un film di dicalcogenuri di metallo di transizione preparato per 10 secondi ciascuno a 500 e 800 rotazioni al minuto. Polimerizzare il PMMA a 120 gradi Celsius per cinque minuti. Quindi, posizionare il substrato rivestito di PMMA in una capsula di Petri riempita con acqua deionizzata.

Utilizzare una pinzetta con punte rotonde e piatte per staccare con cura un angolo del PMMA con la pellicola TMD attaccata dal substrato. Trasferire il substrato in una soluzione acquosa di idrossido di potassio monomolare riscaldata a 100 gradi Celsius. Staccare lentamente e con cura l'intero film PMMA TMD dal substrato utilizzando una pinzetta.

Raccogliere la pellicola di PMMA TMD dalla soluzione di idrossido di potassio con un altro substrato di zaffiro pulito con il lato lucido rivolto verso la pellicola. Trasferire la pellicola in un bicchiere di acqua deionizzata. Trasferire la pellicola in acqua fresca deionizzata altre tre volte allo stesso modo, per assicurarsi che l'idrossido di potassio residuo venga completamente rimosso.

Successivamente, ottenere un biossido di silicio di tipo P di 300 nanometri di spessore su substrato di silicio modellato con elettrodi di titanio o oro. Immergere il substrato modellato nel becher finale di acqua deionizzata e fissare con cura la pellicola TMD al substrato. Cuocere il substrato con la pellicola attaccata a 100 gradi Celsius per tre minuti per far evaporare l'acqua.

Coprire la superficie del substrato con PMMA per assicurarsi che la pellicola sia saldamente attaccata al substrato. Asciugare il supporto in un armadio di essiccazione elettronico per otto ore. Quindi, rimuovere lo strato di PMMA e utilizzare la fotolitografia e l'incisione ionica reattiva per fabbricare un transistor a eterostruttura TMD.

Il meccanismo di solforazione del molibdeno è stato esaminato con HRTEM. In condizioni ricche di zolfo, lo zolfo ha rapidamente sostituito l'ossigeno degli ossidi di molibdeno, formando infine un film uniforme con un numero controllabile di strati. La segregazione e la coalescenza dell'ossido di molibdeno erano il meccanismo di crescita precoce dominante in condizioni di carenza di zolfo.

spettroscopia Raman dei singoli film di bisolfuro di molibdeno e disolfuro di tungsteno ha mostrato ciascuno due picchi caratteristici. HRTEM ha mostrato cinque strati di bisolfuro di molibdeno e quattro strati di disolfuro di tungsteno. La deposizione sequenziale di metallo ha portato a un'eterostruttura verticale del disolfuro di tungsteno molibdeno disolfuro.

Entrambe le serie di picchi caratteristici erano evidenti nello spettro del Ramen. La formazione di un'eterostruttura verticale del TMD è stata supportata da ripetute incisioni atomiche di singoli strati di disolfuro di tungsteno fino a quando non è rimasto solo il disolfuro di molibdeno. Un transistor fabbricato con una singola eterostruttura di disolfuro di tungsteno molibdeno ha mostrato una corrente di drain sostanzialmente maggiore rispetto a un transistor fabbricato con solo disolfuro di molibdeno.

Il transistor a eterostruttura singola aveva un valore di mobilità ad effetto di campo più elevato, che potrebbe essere stato il risultato dell'iniezione di elettroni dal disolfuro di tungsteno al bisolfuro di molibdeno e da canali con concentrazioni di elettroni più elevate in equilibrio termico. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come utilizzare un'apparecchiatura e le procedure mostrate per stabilire facilmente eterostrutture di materiali 2D verticali per diverse applicazioni di dispositivi. Quando si utilizza questo protocollo, è sufficiente ottimizzare le potenze di sputtering, i tempi di posizionamento e le temperature di separazione per l'apparecchiatura per ottenere materiali 2D ed eterostrutture di alta qualità.