方法論記事

大面積垂直 2次元結晶ヘテロ構造デバイス作製のための遷移金属薄膜の硫化からの準備

DOI：

10.3791/56494

⸱

2017年11月28日

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

この記事について

サマリー

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事前に堆積した遷移金属の硫化による大面積と垂直方向の 2次元結晶ヘテロ構造を加工できます。本報告ではフィルムの転送とデバイス作製手順も示します。

要約

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硫化モリブデン (Mo)、タングステン (W)、大面積など遷移金属膜を通して実証を行い, 遷移金属ダイカルコゲナイド (Tmd) MoS2制服し、サファイア基板上 WS2を準備することができます。金属膜厚を制御することによりこの成長法を用いた Tmd の単一の層までの良好な層数制御が得られます。硫黄欠乏条件下で硫化 Mo フィルムから得られた結果に基づき、(a) 平面 MoS2成長および (b) 硫化処理中に観測された Mo 酸化物分離の 2 つのメカニズムがあります。背景硫黄が十分な平面の顎の成長、硫化処理後均一な MoS2膜になります優勢成長メカニズムです。背景硫黄が不足している場合、Mo 酸化物の偏析は硫化プロシージャの初期の段階で支配的な成長のメカニズムになります。この場合、覆われて少数層 MoS2 Mo 酸化物クラスターのサンプルが取得されます。後順次 Mo 蒸着/硫化および W 蒸着/硫化手順、垂直 WS2/MoS2ヘテロ構造は、この成長技術を使用して確立されます。WS2と MoS2にそれぞれ対応するラマンピークと個々 の 2 D マテリアルの総和によってヘテロ構造の同じ層数は垂直方向の 2次元結晶の成功確立を確認しています。ヘテロ構造。WS2パターン済みソース/ドレイン電極と SiO2/Si 基板上に/MoS2フィルムを転送した後下部ゲート トランジスタを作製しました。MoS2チャンネルのみでトランジスタと比べると、WS2/MoS2ヘテロ構造デバイスの高いドレイン電流が展示されて 2次元結晶ヘテロ構造、優れたデバイスの導入によりパフォーマンスが得られます。結果は、2次元結晶の実用的なアプリケーションのためのこの成長技術の可能性を明らかにしました。

概要

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2次元結晶膜を取得する最も一般的な方法の 1 つは、バルク材料1,2,3,4、5からの機械的ピーリングを使用しています。高品質結晶の 2次元結晶膜ができますこのメソッドを使用して簡単に得られる、スケーラブルな 2 D 液晶は実用に不利であるが、このアプローチを通じて利用可能なありません。それは、化学気相成長法 (CVD) を使用すると、大面積で均一の 2次元結晶膜ができる準備6,7,8,9以前の出版物で実証されています。サファイア基板と同じ成長のサイクルを繰り返すことにより層数制御可能な MoS2膜グラフェンの直接成長はまた、CVD 成長技術10,11を使用して示されました。1 つの最近の出版物では、面内 WSe2/MoS2ヘテロ構造フレークもは、CVD 成長技術12を用いて作製しました。CVD 成長技術は有望なスケーラブルな 2次元結晶膜を提供することで、この成長の技術の主要な不利な点は異なった前駆体が異なる 2次元結晶を配置しなければならないこと。成長条件も異なる 2次元結晶によって異なります。この場合、需要増加する 2次元結晶ヘテロ構造成長のプロシージャはより複雑ななります。

CVD 成長法と比較して、事前に堆積した遷移金属薄膜の硫化は TMDs13,14似ていますが、はるかに簡単な成長のアプローチを提供しています。成長のプロシージャを含む金属蒸着と硫化手順だけ、ので成長と同じ手順で異なる TMDs を成長することが可能です。その一方で、2次元結晶の層数制御は、事前入金の遷移金属の厚さを変更することによって達成されるかもしれません。この場合、単一のレイヤーまで成長最適化と層数制御が異なる TMDs の必要成長機構の理解もこの法を用いた複雑な顎関節症ヘテロ構造の確立のため非常に重要です。

この紙、MoS2 WS2硫化手順続いて金属蒸着の同じような成長のプロシージャの下で膜が得られました。硫黄前約条件下で Mo 薄膜の硫化から得られた結果と 2 つの成長メカニズムは硫化手順15の間に観察されます。硫黄の十分な条件の下で硫化のプロシージャの後制服と層数制御可能な MoS2フィルムが得られます。サンプルは、硫黄欠乏条件下で硫化は、背景硫黄では、Mo 酸化物の分離・合体は初期の成長段階で支配的なメカニズムになりますよう完全な MoS2フィルムを形成できません。硫化手順15の後 MoS2のいくつかの層で覆われている Mo 酸化物クラスターのサンプルを取得します。順次金属蒸着と手順硫化、WS2/MoS2垂直方向ヘテロ構造単一の層に層数制御と15,16に用意できます。この手法を使用して、サンプルは 4 つの地域と 1 つのサファイア基板上得られた: (I) 空白のサファイア基板、(II) スタンドアロン MoS2、(III) WS2/MoS2ヘテロ構造、および (IV) スタンドアロン WS217.結果を示す成長技術が垂直 2次元結晶ヘテロ構造の確立のため有利であるし、選択成長が可能です。2次元結晶ヘテロ構造の強化されたデバイスのパフォーマンスは、2次元結晶の実用への第一歩がマークされます。

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プロトコル

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1. 個々 の 2 D 素材 (MoS2と WS2) の成長

  1. スパッタ法を用いた遷移金属蒸着
    1. きれいな 2 × 2 cm2サファイア基板は、洗練された遷移金属成膜用スパッタリング装置のターゲット側のサンプル ホルダーに配置されます。サファイア基板、サファイアの高温で原子フラット表面の化学的安定性により選択します。
    2. スパッタ室に続いて拡散ポンプ機械式ポンプを使用して順に 3 x 10-6 torr までダウン ポンプです。
    3. スパッタリング装置に Ar ガスを注入し、40 mL/分マスフロー コント ローラー (MFC) を使用してガスの流れを保ちます。
    4. 手動圧力制御弁による 5 x 10-2 torr で燃焼圧力を保持し、Ar プラズマを点火します。・ w ・ 40 で出力電力を維持します。
    5. 手動ホイール角度ポペット弁を使用して 5 × 10-3 torr まで燃焼室圧力が低下します。
    6. 手動でサファイア基板と 2 インチの金属ターゲットの間シャッターを開き、金属析出を開始します。成膜中には、40 W で Mo および w. のためのスパッタ電力を維持する.背景の圧力は 40 mL/min Ar ガスの流れと 5 × 10-3 torr で保持されます。
    7. 異なる厚みをもつ遷移金属膜スパッタ時間を制御します。薄い金属の厚さによるスパッタ回水晶振動子からの測定値より膜厚のよりよい制御を提供します。
      注: MoS2と WS2現在の原稿で説明する方法を使用して育つの層数、中古蒸着 Mo および W の膜のスパッタの時に比例します。必要なレイヤー番号を持つ MoS2と WS2を取得する回をスパッタ法の決定は、異なるスパッタ時間サンプルの断面の高分解能透過電子顕微鏡 (HRTEM) 画像に基づいています。ただし、事前に堆積した Mo および W 膜が厚すぎる、Mo および W の酸化分離は平面の MoS2と WS2薄膜成長の代わりに、支配的な成長のメカニズムになります。したがって、スパッタリング時の層数の比例は TMDs 少数層に限定されます。MoS2現在原稿の成長条件、レイヤー番号は、MoS2フィルムがより少ない 10 層スパッタリング時刻に比例になります。スパッタリングの時間は半 5 層 MoS2の成長のための s。
  2. 遷移金属薄膜の硫化
    1. 硫化の熱い炉の中心部に事前に堆積した遷移金属薄膜のサファイア基板を配置します。
    2. ガスの流れ、炉の加熱ゾーンから 2 cm の上流の硫黄 (S) 粉末を配置します。この位置に S パウダーの蒸発温度を 120 ° C 基板温度が 800 ° C に増加異なる遷移金属硫化 S 粉末の重量を正確に制御します。仕事で S 粉末重量は mo および w. の 1.0 g 1.5 g です。
      注: 我々 は MoS2や材料ごとに硫黄の粉の量が異なるを使用した結果に基づき WS2映画の準備のための硫黄粉末量を定めます。
    3. 0.7 torr で炉内圧力を維持します。硫化処理中に 130 mL/分 Ar ガスは、キャリアガスとして使用されました。
    4. 硫黄の粉が完全に蒸発するまでランプ ランプ率が温度 20 ° C/分と常温から 40 分で 800 ° C の炉の温度は 800 ° c 温度を保ちます。その後、炉内温度を下げるためのヒーター電源がオフになって。室温から 800 ° C に到達する炉の約 30 に 40 分かかる
  3. 488 nm レーザー15,16,17を使用してラマン スペクトル計測を実行します。2次元結晶15,16,17のレイヤー番号を確認する断面の高分解能電顕像を入手します。

2. WS2/MoS2垂直単一ヘテロ構造の成長

注: このセクションは単一ヘテロ構造の MoS2の 5 層とサファイア層および WS2の 4 層から成るを作成する使用します。

  1. 手順 1.1 と同じ手順に従ってください。30 システム スパッタを用いたサファイア基板上ミズーリ フィルムを入金時間をスパッタリング s。
  2. 1.2 MoS2の成長のためのステップとして硫化と同じ手順をに従ってミズーリ フィルムを sulfurize します。硫化処理後 MoS2の 5 つの層を取得します。
  3. 手順 1.1 と同じ手順に従います。MoS2W フィルムを沈殿物/サファイア基板を用いた RF スパッタ装置 30 s 時間をスパッタリングします。
  4. ステップ 1.2 WS2の成長のための同じの硫化を手順 W フィルムを sulfurize します。WS2の 4 つの層は、硫化処理後 MoS2の上に取得されます。
    注: 金属蒸着・硫化手順は個々 の素材と同じです。Mo および W 薄膜のスパッタリング回 MoS2層と WS2層の必要なレイヤーの数に応じて決定されます。ダブルやマルチ-ヘテロ-構造は、成長と同じ手順を繰り返すことによって確立できます。サンプル構造に応じて垂直方向ヘテロ構造における Tmd のシーケンスを変更もできます。

3. フィルムの転送とデバイス作製手順

  1. 2次元結晶膜の手順を転送する映画
    1. スピン コート poly(methyl methacrylate) 室温で映画全体をカバーする TMD フィルム上の 3 が値下がりしました。紡績工の 2 段階の回転速度が 10 秒の 500 rpm および 10 の 800 rpm s。硬化後 5 分の 120 ° C で、PMMA 膜厚は約 3 μ m です。
    2. (DI) の脱イオン水で満ちているペトリ皿に PMMA/顎関節症/サファイア サンプルを配置します。
    3. DI 水でピンセットを用いたサファイア基板から PMMA/顎関節症映画の一角をはがします。
    4. 100 ° C にビーカーで 1 M KOH 水溶液 (14 g の KOH ペレットを 250 mL の水と混合) の 250 mL を加熱します。温水 KOH 水溶液でサンプルを移動し、映画は完全に基板から剥離まで PMMA/TMD フィルムを剥離を続けます。剥離では、約 1 分を完了する必要があります。
    5. KOH 溶液から PMMA/TMD フィルムをスクープする別のサファイア基板を使用します。フィルムをフィルムに島の残渣を洗浄する DI 水で満たされた 250 mL のビーカーに移動します。この段階では、PMMA/TMD フィルムとフィルムをスクープするサファイア基板との密着性は弱いです。したがって、映画デ ・ ディ ・水に浸漬後にサファイア基板からアタッチされます。
    6. 3.1.4 - 3.1.5 の手順を繰り返して 3 回確認する新しい DI 水を使用して残島のほとんどがフィルムから削除されます。
      注: TMD 層間密着性は TMDs サファイア基板よりもはるかに強いです。したがって、同じ転送手順は、個別 MoS2/WS2材料またはそのヘテロ構造のいずれかに適用できます。2次元結晶膜が完全に剥離、基板から剥離、MoS2/graphene ヘテロ構造前文書18で説明したのと同様であります。、映画の転送の目的に応じてこの手順に記載されている基板、または設定できますサファイア基板中古蒸着電極と SiO2/Si 基板 3.2 の手順で説明するよう。この目的のため、その他の基板を使用もできます。
  2. 2次元結晶トランジスタの作製。
    1. SiO2/Si 基板15,16,17の電極パターンを定義するのに標準写真平版を使用します。10 nm チタン (Ti) または 100 nm の金 (Au) のソース ・ ドレイン電極は 300 nm SiO2/p-type Si 基板上に作製しました。
    2. SiO2/Si 基板・ ディ ・水が入ったビーカーにソース/ドレイン電極加工し、3.1 の手順で用意して、PMMA/顎関節症映画の TMD 側に接続を浸します。
    3. フィルムは水の残留物を削除する、SiO2/Si 基板を接続した後、3 分間 100 ° C でサンプルを焼きます。
    4. PMMA の表面全体をカバーしよりしっかりと基板に取り付けられて映画を作る PMMA/TMD フィルム試料の 3 滴を滴下します。
    5. 次のステップに移動する前に、少なくとも 8 時間のための電子乾燥キャビネットにサンプルを配置します。
    6. アセトンで 2 つの異なる 250 mL ビーカーを入力します。2 つの異なるビーカー PMMA の最上位のレイヤーを削除する, アセトン 50 と 10 分でいっぱいに順次の PMMA/TMD フィルム付けサンプルを浸します。
    7. 標準光リソグラフィと反応性イオン エッチング15,16,17を使用してトランジスタのチャネルを定義します。背部ゲート MoS2 WS2/MoS2ヘテロ構造トランジスタ作製15,16,17.チャネル長とデバイスの幅は、それぞれ 5 と 150 μ m です。
    8. トランジスタ15,16,17の電流-電圧特性を測定するのにデュアル チャンネル システム sourcemeter の計測器を使用します。

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結果

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ラマン スペクトルと個々 の MoS2と WS2事前入金の遷移金属の硫化を用いて作製したの断面の高分解能電顕像は、それぞれ図 1 ab17に表示されます。平面内に対応する MoS2と WS2の両方の 2 つの特徴的なラマンピークが観察されるfigure-results-1・面1 g 2次元結晶におけるフォノン振動モード。MoS2サンプルの 2 つのラマン散乱ピークの周波数差Δkは 24.1 cm-14-5 MoS2層は19が取得されたことを示唆しています。ただし、WS2

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ディスカッション

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Si や GaAs など従来の半導体材料と比較して、デバイス アプリケーション用 2 D 材料の利点は原子層数の非常に薄いボディとデバイス作製の可能性にあります。Si 業界が進出する場合、< 10 nm 技術ノード、Si フィン FET の高アスペクト比になるデバイス アーキテクチャの実用的なアプリケーションには適していません。したがって、2 D 素材は、その電子デバイス用 Si を交換する可能性があるのため浮上しています。

高移動度を示すことは、最も研究二次元材料グラフェンが期待されている、そのゼロのギャップの性質は、グラフェン トランジスタの OFF 状態につながっています。この場合、目に見えるバンド ギャップ値を持つ TMDs など他の 2D 材料は考察に来ています。今日では、大面積 TMDs を取得する最も一般的なアプローチは CVD 技術を使用します。この成長技術は、大面積で均一の TMD 映画を提供適切な前駆体と異なる TMDs の生育温度の選択は 2 D 素材など複雑な構造の開発に不利ですヘテロ構造。この場合、本稿で説明したように、遷移金属の硫化顎関節症ヘテロ構造の確...

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開示事項

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著者が明らかに何もありません。

謝辞

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この作業は、プロジェクトの最も 105-2221-E-001-011-MY3 と最も 105-2622-8-002-001 省の科学と技術、台湾、によって資金を供給の資金を供給された研究センター応用科学、中国科学院の焦点を絞ったプロジェクトによって部分で支えられました台湾。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
RFスパッタリングシステム花王DuenテクノロジーN / A
硫化用炉ナノテクノロジーズN / A
ポリメチルメタクリレート(PMMA)Microchem8110788可燃性
KOH、> 85%Sigma-Aldrich30603
アセトン、99.5%エコーケミカルCMOS110
硫黄(S)、99.5%Sigma-Aldrich13803
リブデン(Mo)、99.95%Summit-TechN/A
タングステン(W)、99.95%Summit-TechN/A
C面サファイア基板Summit-TechX171999(0001) ± 0.2 ° 片面研磨
300nm SiO2/Si substrateSummit-Tech2YCDDMP型Si基板、抵抗率:1-10 & Omega; · cm.
サンプルホルダー(スパッタリング装置)花王デュエンテクノロジーN/Aセラミック材料
メカニカルポンプ(スパッタリング装置)アルバックD-330DK
拡散ポンプ(スパッタリング装置)アルバックULK-06A
マスフローコントローラブルックス5850E最大アルゴン流量は400mL/分
手動ホイール アングルポペットバルブキングライN/A真空範囲 2500 ~1 × 10-8
torr ラマン測定システム堀場製作所 Jobin Yvon LabRAM HR800
透過型 電子顕微鏡FeiTecnai G2 F20
シャーレKwo YiN/A
ピンセットVenus2A
デジタルドライキャビネットJwo Ruey TechnicalDRY-60
デュアル・チャンネル・システム・ソースメータケースレー2636B
モ

参考文献

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2D MoS2 WS2 RF TMD

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