Otrzymywanie wielkopowierzchniowych pionowych heterostruktur krystalicznych 2D poprzez siarkowanie warstw metali przejściowych do wytwarzania urządzeń

Ogólnym celem tej techniki wzrostu jest ustanowienie złożonych pionowych heterostruktur krystalicznych 2D, z dobrą kontrolą liczby warstw 2D, przy użyciu podobnych procedur wzrostu dla każdego materiału. Główną zaletą tej prostej techniki jest to, że wykorzystuje ona podobne procedury wzrostu dla różnych materiałów 2D i ma dobrą kontrolę liczby warstw. Technika ta może pomóc w badaniu praktycznych zastosowań pionowych heterostruktur materiałowych 2D, ponieważ może wytwarzać większe pionowe heterostruktury krystaliczne 2D o ulepszonych właściwościach tranzytowych w porównaniu ze strukturami jednomateriałowymi.

Aby rozpocząć procedurę, zamontuj czyste podłoże szafirowe w płaszczyźnie C o wymiarach dwa centymetry na dwa centymetry na stoliku próbki systemu rozpylania RF, z polerowaną stroną skierowaną w stronę tarczy molibdenowej. Przepompować w dół komory próbki do trzech razy 10 do ujemnych sześciu torów. Wstrzyknij argon do układu z prędkością 40 mililitrów na minutę i upewnij się, że ciśnienie w komorze jest stabilne na poziomie pięć razy 10 do ujemnych dwóch torów.

Zapal plazmę i ustaw moc wyjściową na 40 watów. Zmniejsz ciśnienie w komorze do pięć razy 10 do ujemnych trzech torów. Następnie ręcznie otwórz molibdenową osłonę tarczy i umieść metal na 30 sekund.

Upewnij się, że moc wyjściowa pozostaje stała przez cały czas osadzania. Po zakończeniu rozpylania umieść podłoże w litrowym uchwycie na próbkę metalową folią skierowaną do góry. Ustaw podłoże na środku strefy grzewczej skalibrowanego pieca rurowego.

Umieść 1.5 grama proszku siarki w łódce grzewczej z tlenku glinu. Umieść łódź dwa centymetry przed strefą grzewczą, tak aby temperatura siarki wynosiła 120 stopni Celsjusza, gdy podłoże osiągnie 800 stopni Celsjusza. Zamknij i przepompuj piec do pięciu razy 10 do ujemnych trzech torów.

Następnie przepuść argon przez piec z prędkością 130 mililitrów na minutę. Upewnij się, że ciśnienie w piecu ustabilizuje się na poziomie 0,7 tore. Rozgrzej piec z temperatury pokojowej do 800 stopni Celsjusza przy 20 stopniach Celsjusza na minutę.

Trzymaj piec w temperaturze 800 stopni Celsjusza, aż siarka całkowicie odparuje. Następnie wyłącz ogrzewanie pieca i pozwól substratowi ostygnąć do temperatury pokojowej pod strumieniem argonu. Następnie zamontuj podłoże w systemie rozpylania RF z folią dwusiarczku molibdenu skierowaną w stronę tarczy wolframowej.

Napylaj wolfram na podłoże przez 30 sekund przy użyciu tych samych ustawień, co w przypadku molibdenu. Umieść podłoże pokryte wolframem na środku strefy grzewczej pieca, a jeden gram proszku siarki dwa centymetry przed strefą grzewczą. Siarkować folię wolframową przy użyciu tych samych parametrów, co w przypadku folii molibdenowej.

Aby rozpocząć przenoszenie cienkiej warstwy, należy obtoczyć trzy krople polimetakrylanu metylu na przygotowanej folii dichalkogenku metalu przejściowego przez 10 sekund każda z prędkością 500 i 800 obrotów na minutę. Utwardź PMMA w temperaturze 120 stopni Celsjusza przez pięć minut. Następnie umieść podłoże pokryte PMMA na szalce Petriego wypełnionej wodą dejonizowaną.

Za pomocą pęsety z okrągłymi, płaskimi końcówkami ostrożnie oderwij jeden róg PMMA z dołączoną folią TMD od podłoża. Przenieść substrat do jednomolowego wodnego roztworu wodorotlenku potasu podgrzanego do 100 stopni Celsjusza. Powoli i ostrożnie oderwij całą folię PMMA TMD od podłoża za pomocą pęsety.

Zbierz folię PMMA TMD z roztworu wodorotlenku potasu za pomocą innego czystego podłoża szafirowego, polerowaną stroną skierowaną w stronę folii. Przenieś folię do zlewki z wodą dejonizowaną. Przenieś folię do świeżej wody dejonizowanej jeszcze trzy razy w ten sam sposób, aby upewnić się, że resztki wodorotlenku potasu zostały całkowicie usunięte.

Następnie otrzymaj dwutlenek krzemu typu P o grubości 300 nanometrów na podłożu krzemowym z wzorem elektrod tytanowych lub złotych. Zanurz wzorzyste podłoże w ostatniej zlewce z wodą dejonizowaną i ostrożnie przymocuj folię TMD do podłoża. Piecz podłoże z dołączoną folią w temperaturze 100 stopni Celsjusza przez trzy minuty, aby odparować wodę.

Przykryj powierzchnię podłoża PMMA, aby upewnić się, że folia jest mocno przymocowana do podłoża. Suszyć podłoże w elektronicznej suszarce przez osiem godzin. Następnie usuń warstwę PMMA i użyj fotolitografii i reaktywnego trawienia jonowego, aby wytworzyć tranzystor heterostrukturalny TMD.

Mechanizm siarkowania molibdenu badano za pomocą HRTEM. W warunkach bogatych w siarkę siarka szybko zastąpiła tlen tlenków molibdenu, ostatecznie tworząc jednolitą warstwę z kontrolowaną liczbą warstw. Segregacja i koalescencja tlenku molibdenu była dominującym wczesnym mechanizmem wzrostu w warunkach niedoboru siarki.

Spektroskopia Ramana poszczególnych warstw dwusiarczku molibdenu i dwusiarczku wolframu wykazała po dwa charakterystyczne piki. HRTEM wykazał pięć warstw dwusiarczku molibdenu i cztery warstwy dwusiarczku wolframu. Sekwencyjne osadzanie metalu spowodowało powstanie pionowej heterostruktury dwusiarczku wolframu i dwusiarczku molibdenu.

Oba zestawy charakterystycznych pików były widoczne w widmie ramen. Powstawanie pionowej heterostruktury TMD było wspomagane przez wielokrotne trawienie atomowe poszczególnych warstw dwusiarczku wolframu, aż do momentu, gdy pozostał tylko dwusiarczek molibdenu. Tranzystor wykonany z pojedynczej heterostruktury dwusiarczku wolframu i dwusiarczku molibdenu wykazywał znacznie większy prąd drenu w porównaniu z tranzystorem wykonanym tylko z dwusiarczku molibdenu.

Tranzystor jednowarstwowy charakteryzował się wyższą wartością ruchliwości pola polowego, co mogło być wynikiem wtrysku elektronów z dwusiarczku wolframu do dwusiarczku molibdenu oraz z kanałów o wyższych stężeniach elektronów w równowadze termicznej. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak korzystać z pokazanego sprzętu i procedur, aby łatwo ustalić pionowe heterostruktury materiałów 2D dla różnych zastosowań urządzeń. Korzystając z tego protokołu, należy jedynie zoptymalizować moc napylania, czasy pozycjonowania i temperatury separacji dla swoich urządzeń, aby uzyskać wysokiej jakości materiały 2D i heterostruktury.