Подготовка большой площади вертикальной 2D кристалл гетеро-структур через Sulfurization переходных металлов фильмов для изготовления устройства

Общая цель этого метода роста заключается в создании сложных вертикальных 2D-кристаллических гетероструктур с хорошим контролем над количеством 2D-слоев, используя аналогичные процедуры роста для каждого материала. Основное преимущество этой простой техники заключается в том, что она использует аналогичные процедуры роста для разных 2D-материалов и имеет хорошую контролируемость количества слоев. Этот метод может помочь в исследовании практического применения вертикальных 2D-гетероструктур материалов, поскольку он позволяет создавать более крупные вертикальные 2D-кристаллические гетероструктуры с улучшенными переходными свойствами по сравнению со структурами из одного материала.

Чтобы начать процедуру, установите чистую С-плоскость из сапфировой подложки размером два на два сантиметра на предметный столик системы радиочастотного распыления полированной стороной к молибденовой мишени. Откачайте камеру для образца до трех умножить на 10 до отрицательных шести торов. Впрыскивайте в систему газообразный аргон со скоростью 40 миллилитров в минуту и следите за тем, чтобы давление в камере было стабильным на уровне пяти умно-пятнадцати на отрицательные два тора.

Подожгите плазму и установите выходную мощность на 40 Вт. Уменьшите давление в камере до пяти раз по 10 до отрицательных трех торов. Затем вручную откройте молибденовый затвор мишени и отложите металл на 30 секунд.

Убедитесь, что выходная мощность остается постоянной на протяжении всего осаждения. После завершения распыления поместите подложку в держатель для образцов на литр металлической пленкой вверх. Установите подложку в центре зоны нагрева калиброванной трубчатой печи.

Поместите 1,5 грамма порошка серы в лодку для нагрева глинозема. Расположите лодку в двух сантиметрах вверх по течению от зоны нагрева так, чтобы температура серы была 120 градусов по Цельсию, когда субстрат достигнет 800 градусов по Цельсию. Закройте и откачайте печь до пяти умно-10 до отрицательных трех торов.

Затем пропустите через печь газообразный аргон со скоростью 130 миллилитров в минуту. Следите за тем, чтобы давление в печи стабилизировалось на отметке 0,7 тор. Нагрейте печь с комнатной температуры до 800 градусов Цельсия со скоростью 20 градусов Цельсия в минуту.

Держите печь при температуре 800 градусов Цельсия до тех пор, пока сера полностью не испарится. Затем выключите огонь печи и дайте основанию остыть до комнатной температуры под потоком аргона. Затем установите подложку в систему радиочастотного распыления так, чтобы пленка дисульфида молибдена была обращена к вольфрамовой мишени.

Распылите вольфрам на подложку в течение 30 секунд, используя те же настройки, что и для молибдена. Поместите покрытую вольфрамом подложку в центр зоны нагрева печи и один грамм порошка серы в двух сантиметрах выше зоны нагрева. Сульфуризация вольфрамовой пленки осуществляется с использованием тех же параметров, что и для молибденовой пленки.

Чтобы начать перенос тонкой пленки, нанесите три капли полиметилметакрилата на подготовленную пленку дихалькогенида переходного металла в течение 10 секунд каждая со скоростью 500 и 800 оборотов в минуту. Высушите ПММА при температуре 120 градусов Цельсия в течение пяти минут. Затем поместите подложку, покрытую ПММА, в чашку Петри, заполненную деионизированной водой.

С помощью пинцета с круглыми плоскими кончиками аккуратно отклейте один угол ПММА с прикрепленной пленкой TMD от подложки. Перенесите субстрат в одномолярный водный раствор гидроксида калия, нагретый до 100 градусов Цельсия. Медленно и осторожно снимите всю пленку TMD из ПММА с подложки с помощью пинцета.

Зачерпните пленку TMD из ПММА из раствора гидроксида калия другой чистой сапфировой подложкой полированной стороной к пленке. Переложите пленку в стакан с деионизированной водой. Таким же образом перенесите пленку в свежую деионизированную воду еще три раза, чтобы убедиться, что остатки гидроксида калия полностью удалены.

Затем получите диоксид кремния P-типа толщиной 300 нанометров на кремниевой подложке, покрытой титановыми или золотыми электродами. Погрузите узорчатую подложку в конечный стакан с деионизированной водой и осторожно прикрепите пленку TMD к подложке. Запекайте основание с прикрепленной пленкой при температуре 100 градусов Цельсия в течение трех минут, чтобы вода испарилась.

Покройте поверхность основания ПММА, чтобы убедиться, что пленка надежно прикреплена к подложке. Просушите основание в электронном сушильном шкафу в течение восьми часов. Затем удалите слой ПММА и с помощью фотолитографии и реактивного ионного травления изготовьте гетероструктурный транзистор TMD.

Механизм сульфуризации молибдена был изучен с помощью HRTEM. В условиях, богатых серой, сера быстро заменяла кислород оксидов молибдена, в конечном итоге образуя однородную пленку с контролируемым числом слоев. Сегрегация и коалесценция оксида молибдена были доминирующим механизмом раннего роста в условиях дефицита серы.

Спектроскопия комбинационного рассеяния света отдельных пленок дисульфида молибдена и дисульфида вольфрама показала по два характерных пика. HRTEM показал пять слоев дисульфида молибдена и четыре слоя дисульфида вольфрама. В результате последовательного осаждения металлов образовалась вертикальная гетероструктура дисульфида вольфрама молибдена.

Оба набора характерных пиков были очевидны в спектре рамена. Формирование вертикальной гетероструктуры TMD поддерживалось путем многократного атомного травления отдельных слоев дисульфида вольфрама до тех пор, пока не оставался только дисульфид молибдена. Транзистор, изготовленный из одиночной гетероструктуры дисульфида вольфрама и дисульфида молибдена, показал значительно больший ток стока по сравнению с транзистором, изготовленным только из дисульфида молибдена.

Одиночный гетероструктурный транзистор имел более высокое значение подвижности полевого эффекта, что могло быть результатом инжекции электронов из дисульфида вольфрама в дисульфид молибдена и из каналов с более высокой концентрацией электронов в условиях теплового равновесия. После просмотра этого видео у вас должно быть хорошее понимание того, как использовать оборудование и процедуры, показанные для легкого создания вертикальных гетероструктур 2D-материалов для различных применений устройств. При использовании этого протокола вам нужно только оптимизировать мощность распыления, время позиционирования и температуру разделения для вашего оборудования, чтобы получить высококачественные 2D-материалы и гетероструктуры.