Preparação da grande-área Vertical 2D cristal Hetero-estruturas através da Sulfurization dos filmes de Metal de transição para a fabricação de dispositivo

O objetivo geral desta técnica de crescimento é estabelecer heteroestruturas cristalinas 2D verticais complexas, com bom controle sobre o número de camadas 2D, usando procedimentos de crescimento semelhantes para cada material. A principal vantagem dessa técnica simples é que ela usa procedimentos de crescimento semelhantes para diferentes materiais 2D e tem boa capacidade de controle do número de camadas. Essa técnica pode ajudar a investigar aplicações práticas de heteroestruturas verticais de materiais 2D, pois pode produzir heteroestruturas de cristal 2D verticais maiores com propriedades de transitor aprimoradas em comparação com estruturas de material único.

Para iniciar o procedimento, monte um substrato de safira de dois centímetros por dois centímetros no estágio de amostra de um sistema de pulverização catódica de RF, com o lado polido voltado para o alvo de molibdênio. Bombear a câmara de recolha para três vezes 10 elevado a seis tores negativos. Injete gás argônio no sistema a 40 mililitros por minuto e certifique-se de que a pressão da câmara seja estável em cinco vezes 10 para os dois tores negativos.

Acenda o plasma e defina a potência de saída para 40 watts. Reduza a pressão da câmara para cinco vezes 10 elevado a três tores negativos. Em seguida, abra manualmente o obturador alvo de molibdênio e deposite o metal por 30 segundos.

Certifique-se de que a saída de energia permaneça constante durante a deposição. Quando a pulverização catódica terminar, coloque o substrato em um porta-amostras de um litro com o filme de metal voltado para cima. Coloque o substrato no centro da zona de aquecimento de um forno tubular calibrado.

Coloque 1,5 gramas de pó de enxofre em um barco de aquecimento de alumina. Coloque o barco dois centímetros a montante da zona de aquecimento de modo que a temperatura do enxofre seja de 120 graus Celsius quando o substrato atingir 800 graus Celsius. Feche e bombeie o forno cinco vezes 10 para os três tores negativos.

Em seguida, flua gás argônio através do forno a 130 mililitros por minuto. Certifique-se de que a pressão do forno se estabilize em 0.7 tores. Aumente o forno da temperatura ambiente para 800 graus Celsius a 20 graus Celsius por minuto.

Mantenha o forno a 800 graus Celsius até que o enxofre tenha evaporado completamente. Em seguida, desligue o calor do forno e deixe o substrato esfriar até a temperatura ambiente sob um fluxo de argônio. Em seguida, monte o substrato no sistema de pulverização catódica de RF com o filme de dissulfeto de molibdênio voltado para o alvo de tungstênio.

Pulverize tungstênio no substrato por 30 segundos usando as mesmas configurações do molibdênio. Coloque o substrato revestido de tungstênio no centro da zona de aquecimento do forno e um grama de pó de enxofre dois centímetros a montante da zona de aquecimento. Sulfurize o filme de tungstênio usando os mesmos parâmetros do filme de molibdênio.

Para iniciar a transferência de filme fino, gire três gotas de polimetilmetacrilato em um filme de dicalcogeneto de metal de transição preparado por 10 segundos cada a 500 e 800 rotações por minuto. Cure o PMMA a 120 graus Celsius por cinco minutos. Em seguida, coloque o substrato revestido com PMMA em uma placa de Petri cheia de água deionizada.

Use uma pinça com pontas redondas e planas para descascar cuidadosamente um canto do PMMA com o filme TMD anexado do substrato. Transfira o substrato para uma solução aquosa de hidróxido de potássio de um molar aquecida a 100 graus Celsius. Lenta e cuidadosamente, retire todo o filme de PMMA TMD do substrato usando uma pinça.

Retire o filme de PMMA TMD da solução de hidróxido de potássio com outro substrato de safira limpo com o lado polido voltado para o filme. Transferir a película para um copo de água desionizada. Transfira o filme para água fresca deionizada mais três vezes da mesma maneira, para garantir que o hidróxido de potássio residual seja completamente removido.

Em seguida, obtenha um dióxido de silício do tipo P de 300 nanômetros de espessura em substrato de silício padronizado com eletrodos de titânio ou ouro. Mergulhe o substrato padronizado no béquer final de água deionizada e prenda cuidadosamente o filme TMD ao substrato. Asse o substrato com o filme anexado a 100 graus Celsius por três minutos para evaporar a água.

Cubra a superfície do substrato com PMMA para garantir que o filme esteja firmemente preso ao substrato. Seque o substrato em uma câmara de secagem eletrônica por oito horas. Em seguida, remova a camada de PMMA e use fotolitografia e gravação de íons reativos para fabricar um transistor de heteroestrutura TMD.

O mecanismo de sulfurização do molibdênio foi examinado com HRTEM. Sob condições ricas em enxofre, o enxofre substituiu rapidamente o oxigênio dos óxidos de molibdênio, formando um filme uniforme com um número controlável de camadas. A segregação e coalescência do óxido de molibdênio foi o mecanismo de crescimento inicial dominante em condições deficientes em enxofre.

A espectroscopia Raman de filmes individuais de dissulfeto de molibdênio e dissulfeto de tungstênio mostrou dois picos característicos. O HRTEM mostrou cinco camadas de dissulfeto de molibdênio e quatro camadas de dissulfeto de tungstênio. A deposição sequencial de metal resultou em uma heteroestrutura vertical de dissulfeto de molibdênio de tungstênio.

Ambos os conjuntos de picos característicos eram aparentes no espectro Ramen. A formação de uma heteroestrutura vertical de TMD foi suportada por corrosão atômica repetida de camadas individuais de dissulfeto de tungstênio até que apenas o dissulfeto de molibdênio permanecesse. Um transistor fabricado com uma heteroestrutura única de dissulfeto de molibdênio dissulfeto de tungstênio mostrou uma corrente de drenagem substancialmente maior quando comparado a um transistor fabricado apenas com dissulfeto de molibdênio.

O transistor de heteroestrutura única teve um valor de mobilidade de efeito de campo mais alto, que pode ter sido o resultado da injeção de elétrons de dissulfeto de tungstênio para dissulfeto de molibdênio e de canais com concentrações de elétrons mais altas sob equilíbrio térmico. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como usar um equipamento e os procedimentos mostrados para estabelecer facilmente heteroestruturas verticais de materiais 2D para diferentes aplicações de dispositivos. Ao usar este protocolo, você só precisa otimizar os poderes de pulverização, os tempos de posição e as temperaturas de separação do seu equipamento para obter materiais 2D e heteroestruturas de alta qualidade.