Summary
Genom sulfurization av pre deponerade övergångsmetaller, kan stora ytor och vertikala 2D hetero-kristallstrukturer fabriceras. Filmen överföra och enheten fabrication förfaranden också visat i detta betänkande.
Abstract
Vi har visat att genom sulfurization övergången metall filmer såsom molybden (Mo) och volfram (W), stora ytor och enhetliga övergång metall dichalcogenides (TMDs) MoS2 och WS2 kan förberedas på safir substrat. Genom att kontrollera de metallfilm tjocklekar, kan bra lager nummer reglerbarhet, ner till ett enda lager av TMDs, erhållas med denna tillväxt-teknik. Baserat på resultat från Mo filmen sulfurized på svavel bristfälliga villkor, finns det två mekanismer (a) planar MoS2 tillväxt och (b) Mo oxid segregation observerats under förfarandet för sulfurization. När bakgrunden svavel är tillräcklig, är planar TMD tillväxt den dominerande tillväxt mekanismen, som kommer att resultera i en enhetlig MoS2 film efter sulfurization förfarandet. Om bakgrunden svavel är bristfällig, blir Mo oxid segregation dominerande tillväxt mekanismen i det inledande skedet av förfarandet sulfurization. I detta fall kommer provet med Mo oxid kluster täckt med några lager MoS2 att erhållas. Efter sekventiell Mo nedfall/sulfurization och W nedfall/sulfurization förfaranden, vertikal WS2/MoS2 hetero-strukturer etableras med denna tillväxt-teknik. Raman toppar motsvarande WS2 och MoS2, respektive, och antalet identiska lager av hetero-struktur med summering av individuella 2D material har bekräftat en framgångsrik etablering av vertikala 2D kristallen hetero-struktur. Efter överföring i WS2/MoS2 film på ett SiO2/Si substrat med pre mönstrade källa/avlopp elektroder, är en botten-gate transistor fabricerade. Jämfört med transistorn med bara MoS2 kanaler, högre avlopp strömmar av enheten med WS2/MoS2 hetero-struktur har ställt ut som med införandet av 2D hetero-kristallstrukturer, överlägsen enhet prestanda kan erhållas. Resultaten har visat potentialen i denna tillväxt teknik för den praktiska tillämpningen av 2D kristaller.
Introduction
En av de vanligaste strategierna att erhålla 2D crystal filmer använder mekanisk peeling från bulk material1,2,3,4,5. Även om 2D crystal filmer med kristallint högkvalitativa lätt kan erhållas med denna metod, är skalbar 2D crystal filmer inte tillgängliga via detta synsätt, som är ofördelaktig för praktiska tillämpningar. Det har visats i tidigare publikationer att använda kemisk förångningsdeposition (CVD), stora ytor och enhetlig 2D crystal filmer kan vara beredda6,7,8,9. Direkt tillväxt av grafen på safir substrat och lager-nummer-kontrollerbara MoS2 filmer förberett genom att upprepa samma tillväxt cykel är också påvisat använder CVD tillväxt teknik10,11. I en senaste publikation fabricerade i-plane WSe2/MoS2 hetero-struktur flingor är också använda CVD tillväxt teknik12. Även om CVD tillväxt tekniken är lovande att tillhandahålla skalbara 2D crystal filmer, är den stora nackdelen med denna tillväxt teknik att olika prekursorer måste finnas för olika 2D kristaller. Tillväxten villkorar varierar också mellan olika 2D kristaller. I detta fall blir förfaranden som tillväxt mer komplicerat när efterfrågan ökar för 2D hetero-kristallstrukturer.
Jämfört med CVD tillväxt tekniken, har sulfurization av pre deponerade övergång metall filmer lämnat en liknande men mycket enklare tillväxt strategi för TMDs13,14. Eftersom förfarandet tillväxt innebär endast metall nedfall och sulfurization följande, är det möjligt att odla olika TMDs genom samma tillväxt förfaranden. Å andra kan lager nummer verifierbarheten 2D kristaller även uppnås genom att ändra de redan deponerade övergång metall tjocklekar. I det här fallet tillväxt optimering och lager nummer kontroll ner till ett enda lager krävs för olika TMDs. förstå tillväxt mekanismer är också mycket viktigt för inrättandet av komplicerade TMD hetero-strukturer med denna metod.
I detta papper, MoS2 och WS2 tillagas filmer under liknande tillväxt förfaranden av metall nedfall följt av förfarandet för sulfurization. Med resultat från sulfurization Mo filmer under svavel tillräcklig och bristfälliga förhållanden, observeras två tillväxt mekanismer under de sulfurization förfarande15. Under svavel tillräcklig förutsättning, kan en enhetlig och lager-nummer-kontrollerbara MoS2 film erhållas efter förfarandet för sulfurization. När provet är sulfurized bristfällig förutsatt svavel, är bakgrunden svavel inte tillräckligt för att bilda en komplett MoS2 film så att den Mo-oxid segregation och återförening kommer att vara dominerande mekanismen i den tidiga tillväxtfas. Ett prov med Mo oxid kluster omfattas av några lager av MoS2 kommer att erhållas efter den sulfurization procedur15. Genom sekventiell metall nedfall och följande sulfurization procedurer, kan WS2/MoS2 vertikala hetero-strukturer med lager nummer reglerbarhet ner till ett enda lager förberedas15,16. Med denna teknik, erhålls ett prov på en enda safir substrat med fyra regioner: (I) tom safir substrat, (II) fristående MoS2, (III) WS2/MoS2 hetero-struktur och (IV) fristående WS217 . Resultaten visar att tillväxten tekniken är fördelaktiga för etableringen av vertikala 2D hetero-kristallstruktur och klarar av selektiv tillväxt. De förbättra enhet föreställningarna av 2D hetero-kristallstrukturer kommer att markera det första steget mot praktiska tillämpningar för 2D kristaller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. tillväxt av individuella 2D material (MoS2 och WS2)
-
Övergång metall nedfall använder en RF sputtring system
- En ren 2 x 2 cm2 safir substrat placeras på provhållaren med polerad sida mot mål sputtring systemet för övergång metall nedfall. Safir substrat är valt på grund av Sapphires kemisk stabilitet vid höga temperaturer och Atom-platta ytor.
- Pump ner sputtring kammaren till 3 x 10-6 torr sekventiellt med en mekanisk pump följt av en diffusion pump.
- Injicera sputtring systemet Ar gas och hålla gasflödet vid 40 mL/min med en massflödesregulator (MFC).
- Hålla kammare trycket på 5 x 10-2 torr med hjälp av en manuell kontroll ventil och antända Ar plasma. Hålla uteffekten vid 40 W.
- Minska kammare trycket till 5 x 10-3 torr med hjälp av en manuell hjulet vinkel Sätesventil.
- Manuellt öppna slutaren mellan safir substratet och 2-tums metall mål och starta metall nedfall. Under förfarandet för nedfall, hålla sputtring kraften på 40 W för både Mo och W. Bakgrunden trycket hålls 5 × 10-3 torr med 40 mL/min Ar gasflödet.
- Styra sputtring tid att deponera övergång metall filmer med olika tjocklekar. På grund av tunn metall tjockleken ger sputtring gånger bättre kontroll över filmtjocklek än avläsningarna från kvarts kristall resonator.
Obs: Lager numrerar av MoS2 och WS2 odlas med hjälp av metoden som beskrivs i det nuvarande manuskriptet är proportionell mot de sputtring gånger före deponerade Mo och W filmer. Bestämning av sputtring gånger att få MoS2 och WS2 med krävs lager nummer är baserad på tvärsnittsdelstudien högupplösta överföring elektronmikroskopi (HRTEM) bilder för prover med olika sputtring tider. Dock om de redan insatta Mo och W filmerna är för tjock, blir Mo och W oxid segregation dominerande tillväxt mekanismen, i stället för plana MoS2 och WS2 film tillväxt. Proportionaliteten i lager nummer med sputtring tider är därför begränsad till några lager TMDs. Med villkoret tillväxt av MoS2 i det nuvarande manuskriptet, kommer att lager nummer vara proportionell till sputtring tider när MoS2 filmen är färre än 10 lager. Sputtring tiden är 30 s för tillväxten av 5-lager MoS2.
-
Sulfurization av övergång metall filmen
- Placera de safir substratesna med pre deponerade övergång metall filmer i mitten av en het ugn för sulfurization.
- Placera svavel (S)-pulvret uppströms gasflödet, 2 cm från zonen värme i ugnen. I denna position blir avdunstning temperaturen för S pulvret 120 ° C när substratet temperaturen ökar till 800 ° C. Kontrollera exakt S pulver vikt för olika övergångsmetaller för sulfurization. I arbetet är S pulver vikt 1,5 g för Mo och 1,0 g för W.
Obs: Vi bestämmer svavel pulver belopp för beredning av MoS2 och WS2 filmer baserat på de resultat som erhålls för varje material som beretts med olika mängder svavel pulver. - Håll ugnen trycket på 0.7 torr. Under förfarandet för sulfurization användes 130 mL/min Ar gas som bärgas.
- Ramp temperaturen i ugnen från rumstemperatur till 800 ° C i 40 min med en temperatur ramp på 20 ° C/min. hålla temperaturen vid 800 ° C tills svavel pulvret är helt avdunstat. Efter det, är värmare strömmen avstängd för att sänka temperaturen till ugnen. Det tar ca 30-40 min för ugnen rumstemperatur från 800 ° C.
- Utföra Raman spektrum mätningar med en 488 nm laser15,16,17. Erhålla tvärsnittsdata HRTEM bilderna om du vill lager nummer av 2D kristaller15,16,17.
2. tillväxt av WS2/MoS2 vertikala enda Hetero-struktur
Obs: Detta avsnitt används för att skapa en enda hetero-struktur som består av en safir lagret med 5 lager MoS2 och 4 lager av WS2.
- Följ samma procedur som steg 1,1. Deposit Mo filmen på safir underlagsmaterialet med hjälp av RF sputtring system med en 30 s sputtring tid.
- Sulfurize Mo filmen efter samma sulfurization förfaranden som steg 1.2 för tillväxten av MoS2. Fem lager MoS2 kommer att erhållas efter förfarandet för sulfurization.
- Följ samma förfaranden som steg 1,1. Deponera W filmen på MoS2/safir substrat med RF sputtring system med en 30 s sputtring tid.
- Sulfurize W filmen på samma sulfurization sätt av steg 1.2 för tillväxten av WS2. Fyra lager av WS2 kommer att erhållas ovanpå den MoS2 efter sulfurization förfarandet.
Obs: Metall nedfall och sulfurization förfarandet är detsamma som det enskilda materialet. Sputtring tider av Mo och W filmerna bestäms beroende på krävs lager numrerar av MoS2 och WS2 lager. Dubbel - eller multi-hetero-strukturer kan fastställas genom att upprepa samma tillväxt förfarande. Sekvensen av TMDs i vertikala hetero-strukturer kan också ändras beroende på provets struktur.
3. överföring av Film och enheten Fabrication förfaranden
-
Filmen överföra förfarandet 2D crystal filmer
- Spin rock tre droppar av poly(methyl methacrylate) (PMMA) på TMD filmen att täcka hela filmen i rumstemperatur. Två-stegs rotation hastigheterna rotationsrutans är 500 rpm för 10 s och 800 rpm för 10 s. Efter härdning vid 120 ° C i 5 min, är PMMA tjocklek runt 3 µm.
- Plats PMMA/TMD/Sapphire provet i en petriskål som är fylld med avjoniserat vatten (DI).
- Dra av ena hörnet av PMMA/TMD filmen från safir underlagsmaterialet med hjälp av pincett i DI-vatten.
- Värma 250 mL 1 M KOH vattenlösning (14 g KOH pellets blandas med 250 mL vatten) i en bägare till 100 ° C. Flytta provet i den uppvärmda KOH vattenlösningen och fortsätta peeling PMMA/TMD filmen tills filmen är helt skalade bort från underlaget. Peeling kräver ca 1 min att slutföra.
- Använd ett separat safir substrat för att ösa upp PMMA/TMD filmen från KOH lösningen. Flytta filmen till en 250 mL bägare fylld med DI vatten att tvätta bort rester KOH på filmen. I detta skede är vidhäftning mellan PMMA/TMD filmen och safir substratet ösa filmen svag. Därför fäster filmen de från safir underlaget efter nedsänkning i det DI-vattnet.
- Upprepa steg 3.1.4 - 3.1.5 tre gånger med nya DI vatten för att se till att de flesta av återstoden KOH tas bort från filmen.
Obs: Vidhäftning mellan skikten TMD är mycket starkare än TMDs med safir substratet. Därför kan samma överlåtande förfarande tillämpas antingen enskilda MoS2/WS2 material eller deras hetero-strukturer. 2D crystal filmerna kommer att vara helt skalade bort från underlaget, som är lik peeling MoS2/graphene hetero-struktur diskuterats i en tidigare publikation18. Beroende på syftet med att överföra filmen, kan underlaget nämns i det här steget vara en safir substrat eller SiO2/Si substrat med pre deponerade elektroder, som beskrivs i steg 3,2. Andra substrat kan också användas för detta ändamål.
-
Tillverkning av 2D crystal transistorer.
- Använd standard photolithography för att definiera elektrod mönster på SiO2/Si substrat15,16,17. Källa och avlopp elektroder av 10 nm Titan (Ti) eller 100 nm guld (Au) tillverkas på en 300 nm SiO2/p-type Si substrat.
- Fördjupa den SiO2/Si substrat med pre mönstrade källa/avlopp elektroder till den bägare fylld med DI vatten och bifoga till TMD sida av PMMA/TMD filmen som bereddes i steg 3.1.
- Grädda provet vid 100 ° C för 3 min, efter filmen är kopplad till SiO2/Si underlaget, att avlägsna vatten rester.
- Droppa tre droppar av PMMA på prov med PMMA/TMD filmen att täcka hela ytan och gör filmen mer ordentligt fastsatt till substratet.
- Placera provet i en elektronisk torrt skåp för minst 8 h innan du flyttar till nästa steg.
- Fyll två olika 250 mL-bägare med aceton. Fördjupa provet bifogade med PMMA/TMD filmen sekventiellt i de två olika bägare fylld med aceton för 50 och 10 min, respektive, för att ta bort det översta lagret i PMMA.
- Definiera den transistor kanal med standard foto-litografi och reaktiva-Jon etsning15,16,17. Back-gate MoS2 och WS2/MoS2 hetero-struktur transistorer är fabricerade15,16,17. Kanal längd och bredd av enheter är 5 och 150 μm, respektive.
- Använd en dual-channel system sourcemeter instrument för att mäta ström-spänning egenskaper av transistorer15,16,17.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Raman spektrumet och tvärsnittsdata HRTEM bilder av enskilda MoS2 och WS2 dikta ihop användande sulfurization av pre deponerade övergångsmetaller visas i figur 1a-b17, respektive. Två karakteristiska Raman toppar observeras för både MoS2 och WS2, som motsvarar i-plane 
och ut-av-planet en1 g phonon vibrationslägen i 2D kristaller. Frekvens skillnad Δk av två Raman toppar för MoS2 provet är 24,1 cm-1, vilket tyder på att 4-5 lager MoS2 erhölls19. Det är dock svårt att avgöra antalet möjliga lager direkt från den stora Δk värde 63,4 cm-1 WS217. Tvärsnittsdata HRTEM bilder av de två provexemplaren, visas i figur 1 c-d, har visat att 5 - och 4-lagers MoS2 och WS2 erhållits för de två samplingarna, respektive. Resultaten har visat att2 filmer kan erhållas genom sulfurizing till övergångsmetaller, stora ytor och enhetlig MoS2 och WS.
Tvärsnittsdata HRTEM bilden av 1,0 nm Mo filmen sulfurized på svavel bristfälliga villkor visas i figur 2a, vari kluster täckt med några lager 2D kristaller observerades. Dessa resultat visade att två tillväxt mekanismer observerades under den sulfurization procedur15. Under svavel tillräcklig förutsättning ägde svavel-för-oxygen reaktioner rum snabbt så att planar MoS2 omfattas hela provet på kort tid. Denna planar MoS2 film på prov ytan kunde förhindra ytterligare material migration så att en enhetlig och lager-nummer-kontrollerbara MoS2 film kunde erhållas efter förfarandet för sulfurization. Men när provet var sulfurized på svavel bristfälliga villkor, var bakgrunden svavel inte tillräckligt för att bilda en komplett MoS2 film så att den Mo-oxid segregering och återförening var dominerande mekanismen i den tidiga tillväxtfas. I det här fallet skulle ett prov med Mo oxid kluster omfattas av några lager MoS2 erhållas efter den sulfurization procedur15. Det Schematiskt diagram som beskriver en modell av den övergång metall sulfurization visas i figur 2b15. Eftersom två tillväxt mekanismer observerades under förfarandet för sulfurization, fanns det en övre gräns för antalet MoS2 lager med engångs tillväxt.
Med sekventiell metall nedfall med sulfurization förfaranden som diskuterats ovan, utarbetades en WS2/MoS2 enda hetero-struktur efter två förfaranden av övergång metall nedfall/sulfurization. Den Raman spectra och tvärsnittsdata HRTEM bilden av provet visas i figur 3a-b17. Förutom den karakteristiska Raman toppar motsvarande MoS2 och WS2, respektive, identiska lagernummer 9 med summering av enskilda 5 - och 4-lagers MoS2 och WS2 tyder på att provet var en WS2/ MoS2 enda hetero-struktur. Efter liknande tillväxt förfaranden förbereddes en WS2/MoS2/WS2 dubbel hetero-struktur efter tre förfaranden av övergång metall nedfall/sulfurization. Den Raman spectra och tvärsnittsdata HRTEM bilden av provet visas i figur 3 c-d. Med en liknande observation av MoS2 och WS2 karakteristiska Raman toppar diskuterats ovan, observerades endast tre lager av 2D kristaller för provet. Dessa resultat har visat att (a) bra lager nummer reglerbarhet ner till ett enda lager erhölls för denna tillväxt teknik och (b) en vertikal 2D kristall dubbel hetero-struktur kan fastställas i tre atomlager tjocklek16.
Ett annat prov med halv-täcker övergången metall nedfall var beredd att Visa möjligheten till selektiv tillväxt med hjälp av tillväxt tekniken diskuteras i denna rapport. Genom skärmning hälften av safir substratet under 1,0 nm Mo nedfall, kunde hälften av substratet täckas med MoS2 efter sulfurization. Efter det, var provet roteras 90° till deposition W för att täcka hälften av safir substratet. Samma sulfurization procedur genomfördes igen. I det här fallet erhölls fyra regioner med (a) tom safir substrat, (b) fristående MoS2, (c) WS2/MoS2 hetero-struktur och (d) fristående WS2 inom en enda safir substrat17. Bilden och Raman spektra av fyra olika regioner på prov visas i figur 4. I figuren visas odlades selektivt stora ytor och enhetlig WS2 och MoS2 filmer och deras vertikala hetero-strukturer på samma safir substraten. Dessa resultat har visat att metoden tillväxt av övergång metall sulfurization förutom inrättandet av vertikala hetero-strukturer, selektivt växte 2D kristaller på substrat. Denna flexibilitet kan ge mer utrymme till praktiska enhet påhitt baserat på 2D material och deras hetero-strukturer.
För att jämföra enhetens prestanda av transistorerna med MoS2 och den WS2/MoS2 vertikala hetero-struktur som enheten kanaler, två transistorer var fabricerade enligt fabrication anvisningarna i steg 3 i den protokoll. Den schematiska diagram som visar förfarandet fabrication visas också i figur 5a. ID-VGS kurvor av enheterna på VDS = 10 V visas i Figur 5b. Jämfört med MoS2 transistorn, observerades en betydande avlopp nuvarande ökning för hetero-struktur enheten. Fält-effekt rörlighet värdena för de två enheterna med MoS2 och WS2/MoS2 hetero-struktur som de kanalerna som utvinns ur kurvorna är 0,27 respektive 0,69 cm2/V·s. Vår tidigare prognos av elektron injektion från WS2 till MoS2 och högre elektron koncentration kanaler under termisk jämvikt kan vara ansvarig för detta fenomen.
Efter tunn Mo filmen nedfall, provet flyttades ut från sputtring kammaren och utsätts för luft. Eftersom Mo filmen är mycket tunn, det var oxideras och bildade Mo oxider snabbt under omgivningsförhållanden. XPS kurvan (X-ray fotoelektronen spektroskopi) av provet innan förfarandet för sulfurization visas i figur 6a. I figuren visas filmen bestod av MoO2 och MoO3 innan sulfurization förfarandet. Dessa resultat tyder på att Mo filmen var oxideras under förfarandet för överlämnande från sputtring kammaren till den varma ugnen. Andra underlag som visar att bildandet av 2D hetero-kristallstrukturen kan ha kommit från den motsvarande selektiv etsningen av 2D hetero-kristallstrukturen. För detta ändamål har vi visat att atomic etsning kan uppnås för både MoS2 och WS2 med lågenergi-syre plasma behandling20. Vi kan uppnå motsvarande selektiv etsning vertikala hetero-struktur genom att upprepa den atomlager etsning förfarande. Raman spectrumen av etsade och un-etsade 4-lagers WS2/3-layer MoS2 vertikala hetero-struktur visas i figur 6b. Atomlager etsning tiderna överensstämde med antalet lager från WS2 (4 gånger). Observationer av både MoS2 och WS2 Raman toppar på un-etsade regionen, och MoS2 signaler endast på den etsade regionen, föreslår att en vertikal hetero-struktur fastställdes med hjälp av tillväxt tekniken diskuteras i detta dokument.
Figur 1: Individuella 2D kristaller av MoS2 och WS2. (a, b) Raman spectra och (c, d) i tvärsnittsstudier HRTEM bilder av fristående MoS2 och WS2respektive17. Proverna som erhålls genom sulfurizing 1,0 nm Mo och W filmer utarbetat ett sputtring system. I den Raman spectra visas två karakteristiska Raman toppar observerades för både MoS2 och WS2, vilket motsvarade i-plane 
och ut-av-plane 
phonon vibrationslägen i 2D kristaller. Lager nummer numrerar av MoS2 och WS2 odlas med hjälp av metoden som beskrivs i det nuvarande manuskriptet var proportionell till sputtring tider före deponerade Mo och W filmer. Bestämning av sputtring gånger att få MoS2 och WS2 med krävs lager nummer är baserad på tvärsnittsdelstudien HRTEM bilderna för prover med olika sputtring tider. Dock om de redan insatta Mo och W filmerna är för tjock, blir Mo och W oxid segregation mekanismen dominerande tillväxt istället för planar MoS2 och WS2 film tillväxt. Proportionaliteten i lager nummer med sputtring times var därför begränsad till några lager TMDs. Med tillväxten villkorar av MoS2 i det nuvarande manuskriptet, kommer att lager nummer vara proportionell till sputtring tider när MoS2 filmen är färre än 10 lager. Sputtring tiden är 30 s för tillväxten av 5-lager MoS2. Denna siffra har ändrats från Wu et al. 17 Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: tillväxtmodell av övergången belägger med metall sulfurization. (en) den tvärsnittsdata HRTEM bild av 1,0 nm Mo filmen sulfurized under svavel bristfälliga skick och (b) det Schematiskt diagram som beskriver modellen för övergång metall sulfurization15. Tillväxten villkorar av provet tillagade med inget svavel puder placeras i ugnen benämns svavel bristfälliga skick. Eftersom det finns alltid rester svavel ackumulationen nära nedströms av tillväxt kammaren efter upprepande tillväxt cykler, förväntas det att en liten mängd svavel kommer fortfarande diffusa till provet ytan och resultera i MoS2 tillväxt. Under sådana svavel bristfälliga förhållanden, dock förvandlas inte alla pre deponerade Mo till MoS2. Denna siffra har ändrats från Wu et al15. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: MoS2/WS2 enkel - och dubbel-hetero-strukturer. Den Raman spectra och tvärsnittsdata HRTEM bilder av WS2/MoS2 (a, b) singel- och (c, d) hetero-strukturer16,17. Som visas i Raman spektrumet, i-planet och ut-av-plane phonon vibrationslägen både MoS2 och WS2 observeras för 2D crystal hetero-strukturer. Panelerna har ändrats från Chen et al. och Wu et al. 16 , 17 Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: selektiv tillväxt av 2D kristaller. Bilden och Raman spektra av fyra regioner i provet beredd med halv-täcker övergången metall nedfall på en enda safir substrat17. Raman spectra i (en) tom safir substratet, (b) fristående MoS2, (c) WS2/MoS2 hetero-struktur och (d) fristående WS2 regioner i provet visade karakteristiska Raman toppar. Denna siffra har ändrats från Wu et al. 17 Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: Enhetens prestanda av MoS2 och WS2/MoS2 vertikala hetero-struktur transistorer. (en) fabrication tillvägagångssättet av transistorer med MoS2 och WS2/MoS2 vertikala hetero-struktur som kanaler och (b) ID-VGS kurvor av de två enheterna på VDS = 10 V 17. tjockleken av 1,0 nm för Mo och W filmer erhölls från avläsningarna av kvarts kristall resonator. Sputtring tiderna var 30 s för båda materialen. Denna siffra har ändrats från Wu et al. 17 Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: Oxidation av pre deponerade Mo filmer och den motsvarande selektiv etsningen av WS2/MoS2 vertikala hetero-strukturer. (en) den XPS kurva av provet med pre deponerade Mo filmen innan sulfurization förfarandet. Filmen består av MoO2 och MoO3 innan sulfurization förfarandet. Dessa resultat tyder på att Mo filmen var oxideras under förfarandet för överlämnande från sputtring kammaren till den varma ugnen. (b), The Raman spectra av etsade och un-etsade 4-lagers WS2/3-layer MoS2 vertikala hetero-strukturen. Efter fyra gånger atomlager etsningar observerades endast MoS2 toppar på etsade regionen. Panel B har ändrats från Chen et al. 20 Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Jämfört med konventionella halvledarmaterial som Si och GaAs, ligger fördelen med 2D material för enheten i möjligheten att enheten fabrication med mycket tunna organ ner till flera Atom lager. När Si industrin framsteg in i den < 10 nm teknik nod, Si fin FET hög proportioner kommer att göra enheten arkitekturen olämpliga för praktiska tillämpningar. Således, 2D material har uppstått på grund av deras potential att ersätta Si för elektronisk anordning applikationer.
Även om det mest studerade 2D materialet grafen, väntas uppvisar hög rörlighet värden, har dess noll bandgap natur lett till någon OFF-läge för grafen transistorerna. I detta fall har andra 2D material såsom TMDs med synliga bandgap värden komma i fråga. Numera är det vanligaste sättet att få stora ytor TMDs du använder CVD teknik. Även om denna tillväxt teknik ger stora ytor och enhetlig TMD filmer, är val av lämpliga prekursorer och olika tillväxt temperaturer för olika TMDs ofördelaktig för utvecklingen av komplicerade strukturer såsom 2D material hetero-strukturer. I det här fallet har sulfurization av övergångsmetaller som diskuteras i denna uppsats blivit en lovande strategi för inrättandet av TMD hetero-strukturer. Det är möjligt att sulfurize olika TMDs liknande sulfurization villkor.
En viktig fråga för tillväxten av 2D material är lager nummer verifierbarheten. Lager nummer Verifierbarheten av MoS2 filmen utarbetats av sulfurizing övergångsmetaller som diskuteras i denna uppsats uppnåddes genom att kontrollera de före deponerade Mo filmar tjocklekar. Tjockleken på Mo filmen kontrollerades av sputtring tiden. När det gäller 30 s sputtring tid, den Mo filmtjockleken uppskattades till ~ 1 nm. Efter förfarandet för sulfurization bör MoS2 i fem lager erhållas17. När det gäller 10 s sputtring tid, en mono-lager MoS2 bör erhållas16.
Den största begränsningen av denna tillväxt metod ligger i maximal layer siffrorna med engångs sulfurization. Som diskuterades i föregående avsnitt, efter tunn Mo filmen nedfall, provet flyttades ut från sputtring kammaren och exponeras för luften. Eftersom Mo filmen var mycket tunna, det var oxideras och bildade Mo oxider snabbt på omgivande villkor. Därför, om pre deponerade Mo filmen är för tjock, den planar MoS2 inte kommer att räcka att förhindra Mo oxid segregation under förfarandet för sulfurization och ett prov med kluster av flera lager MoS2 täcker Mo kväveoxider kommer att erhållas. Med tillväxten villkorar antogs i detta papper, var flest MoS2 lager runt 10 med en engångs tillväxt cykel.
För att övervinna denna nackdel, om en MoS2 film med ett lagernummer större än 10 krävs, är det möjligt att upprepa samma tillväxt procedur av metall nedfall och sulfurization att få filma med erforderligt antal lager11. Sulfurization av pre deponerade övergångsmetaller har gett möjligheten till skalbara TMD film tillväxt bra lager nummer reglerbarhet. Använder denna metod, har inrättandet av vertikala hetero-strukturer och selektiv tillväxt på safir substrat också påvisats. Tillväxt tekniken diskuteras i denna uppsats kommer att markera ett viktigt steg mot den praktiska tillämpningen av 2D kristaller. Med förbättrad enhetens prestanda av 2D hetero-kristallstrukturer, kan 2D material vara en möjlig kandidat för utveckling av nm-sized elektroniska enheter. I framtida arbete, stapling 2D material att upprätta olika hetero-strukturer för att få olika optiska och elektriska egenskaper med enskilda material blir en viktig fråga för praktiska tillämpningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete var stöds delvis av projekt mest 105-2221-E-001-011-MY3 och mest 105-2622-8-002-001 finansieras av ministeriet för vetenskap och teknik, Taiwan, och delvis av fokuserade projektet finansieras av Research Center for Applied Sciences, Academia Sinica, Taiwan.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| RF sputtering system | Kao Duen Technology | N/A | |
| Furnace for sulfurization | Creating Nano Technologies | N/A | |
| Polymethyl methacrylate (PMMA) | Microchem | 8110788 | Flammable |
| KOH, > 85% | Sigma-Aldrich | 30603 | |
| Acetone, 99.5% | Echo Chemical | CMOS110 | |
| Sulfur (S), 99.5% | Sigma-Aldrich | 13803 | |
| Molybdenum (Mo), 99.95% | Summit-Tech | N/A | |
| Tungsten (W), 99.95% | Summit-Tech | N/A | |
| C-plane Sapphire substrate | Summit-Tech | X171999 | (0001) ± 0.2 ° one side polished |
| 300 nm SiO2/Si substrate | Summit-Tech | 2YCDDM | P-type Si substrate, resistivity: 1-10 Ω · cm. |
| Sample holder (sputtering system) | Kao Duen Technology | N/A | Ceramic material |
| Mechanical pump (sputtering system) | Ulvac | D-330DK | |
| Diffusion pump (sputtering system) | Ulvac | ULK-06A | |
| Mass flow controller | Brooks | 5850E | The maximum Argon flow is 400 mL/min |
| Manual wheel Angle poppet valve | King Lai | N/A | Vacuum range from 2500 ~1 × 10-8 torr |
| Raman measurement system | Horiba | Jobin Yvon LabRAM HR800 | |
| Transmission electron microscopy | Fei | Tecnai G2 F20 | |
| Petri dish | Kwo Yi | N/A | |
| Tweezer | Venus | 2A | |
| Digital dry cabinet | Jwo Ruey Technical | DRY-60 | |
| Dual-channel system sourcemeter | Keithley | 2636B |
References
- Moldt, T., et al. High-Yield Production and Transfer of Graphene Flakes Obtained by Anodic Bonding. ACS Nano. 5, 7700-7706 (2011).
- Choi, W., et al. High-Detectivity Multilayer MoS2 Phototransistors with Spectral Response from Ultraviolet to Infrared. Adv. Mater. 24, 5832-5836 (2012).
- Liu, H., Neal, A. T., Ye, P. D. Channel Length Scaling of MoS2 MOSFETs. ACS Nano. 6, 8563-8569 (2012).
- Wang, Q. H., Kalantar-Zadeh, K., Kis, A., Coleman, J. N., Strano, M. S. Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides. Nat. Nanotechnol. 7, 699-712 (2012).
- Radisavljevic, B., Radenovic, A., Brivio, J., Giacometti, V., Kis, A.
- Lee, Y. H., et al. Synthesis of Large-Area MoS2 Atomic Layers with Chemical Vapor Deposition. Adv. Mater. 24, 2320-2325 (2012).
- Yu, Y., Li, C., Liu, Y., Su, L., Zhang, Y., Cao, L. Controlled Scalable Synthesis of Uniform, High-Quality Monolayer and Few-layer MoS2 Films. Sci. Rep. 3, 1866 (2013).
- Ling, X., et al. Role of the Seeding Promoter in MoS2 Growth by Chemical Vapor Deposition. Nano Lett. 14, 464-472 (2014).
- Lee, Y., et al. Synthesis of wafer-scale uniform molybdenum disulfide films with control over the layer number using a gas phase sulfur precursor. Nanoscale. 6, 2821-2826 (2014).
- Lin, M. Y., Su, C. F., Lee, S. C., Lin, S. Y. The Growth Mechanisms of Graphene Directly on Sapphire Substrates using the Chemical Vapor Deposition. J. Appl. Phys. 115, 223510 (2014).
- Wu, C. R., Chang, X. R., Chang, S. W., Chang, C. E., Wu, C. H., Lin, S. Y. Multilayer MoS2 prepared by one-time and repeated chemical vapor depositions: anomalous Raman shifts and transistors with high ON/OFF ratio. J. Phys. D Appl. Phys. 48, 435101 (2015).
- Li, M. Y., et al. Epitaxial growth of a monolayer WSe2-MoS2 lateral p-n junction with an atomically sharp interface. Science. 349, 524-528 (2015).
- Zhan, Y., Liu, Z., Najmaei, S., Ajayan, M. P., Lou, J. Large-area vapor-phase growth and characterization of MoS2 atomic layers on a SiO2 substrate. Small. 8, 966 (2012).
- Woods, J. M., et al. One-Step Synthesis of MoS2/WS2 Layered Heterostructures and Catalytic Activity of Defective Transition Metal Dichalcogenide Films. ACS Nano. 10, 2004-2009 (2016).
- Wu, C. R., Chang, X. R., Wu, C. H., Lin, S. Y. The Growth Mechanism of Transition Metal Dichalcogenides using Sulfurization of Pre-deposited Transition Metals and the 2D Crystal Hetero-structure Establishment. Sci. Rep. 7, 42146 (2017).
- Chen, K. C., Chu, T. W., Wu, C. R., Lee, S. C., Lin, S. Y. Layer Number Controllability of Transition-metal Dichalcogenides and The Establishment of Hetero-structures using Sulfurization of Thin Transition Metal Films. J. of Phys. D: Appl. Phy. 50, 064001 (2017).
- Wu, C. R., Chang, X. R., Chu, T. W., Chen, H. A., Wu, C. H., Lin, S. Y. Establishment of 2D Crystal Heterostructures by Sulfurization of Sequential Transition Metal Depositions: Preparation, Characterization, and Selective Growth. Nano Lett. 16, 7093-7097 (2016).
- Lin, M. Y., et al. Toward epitaxially grown two-dimensional crystal hetero-structures: Single and double MoS2/graphene hetero-structures by chemical vapor depositions. Appl. Phys. Lett. 105, 073501 (2014).
- Lee, C., Yan, H., Brus, L. E., Heinz, T. F., Hone, J., Ryu, S. Anomalous Lattice Vibrations of Single and Few-Layer MoS2. ACS Nano. 4, 2695-2700 (2010).
- Chen, K. C., Chu, T. W., Wu, C. R., Lee, S. C., Lin, S. Y. Atomic Layer Etchings of Transition Metal Dichalcogenides with Post Healing Procedures: Equivalent Selective Etching of 2D Crystal Hetero-structures. 2D Mater. 4, 034001 (2017).
