Summary
من خلال سولفوريزيشن المودعة قبل انتقال المعادن، يمكن أن تكون ملفقة كريستال 2D مساحة كبيرة والعمودي هترو-الهياكل. كما أظهر الفيلم نقل، وإجراءات تصنيع الجهاز في هذا التقرير.
Abstract
أننا قد أثبتت ذلك من خلال سولفوريزيشن الأفلام المعادن الانتقالية مثل الموليبدينوم (مو) ومساحة كبيرة من التنغستن (W)، والزي معدنية انتقالية ديتشالكوجينيديس (TMDs) موس2 و WS2 يمكن أن تكون مستعدة على ركائز الياقوت. بالتحكم في سمك الفيلم معدنية، طبقة جيدة للتحكم الرقمي، وصولاً إلى طبقة واحدة من TMDs، يمكن الحصول على استخدام هذا الأسلوب في النمو. استناداً إلى النتائج التي تم الحصول عليها من الفيلم مو سولفوريزيد تحت ظروف نقص الكبريت، وهناك آليتان للنمو2 موس (أ) مستو و (ب) فصل أكسيد مو لاحظ أثناء إجراء سولفوريزيشن. عندما الكبريت الخلفية كافية، مستو أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي النمو هو إليه النمو السائد، الذي سوف ينتج فيلما2 موس موحدة بعد إجراء سولفوريزيشن. في حالة نقص الكبريت الخلفية، سيكون فصل أكسيد مو إليه النمو السائد في المرحلة الأولى من الإجراءات سولفوريزيشن. وفي هذه الحالة، سيتم الحصول على العينة مع مجموعات أكسيد مو مغطاة بطبقة قليل موس2 . وبعد إنشاء متسلسلة مو ترسب/سولفوريزيشن وث ترسب/سولفوريزيشن الإجراءات، عمودي WS2/MoS2 هترو-هياكل باستخدام هذه التقنية النمو. قمم رامان تناظر WS2 وموس2، على التوالي، وعدد طبقة متطابقة هترو-الهيكل مع ملخص للمواد ثنائية الأبعاد الفردية وقد أكدت النجاح في إنشاء كريستال 2D العمودي هترو-الهيكل. بعد نقل WS2/MoS2 الفيلم على الركازة/Si SiO2مع أقطاب منقوشة قبل المصدر/استنزاف، مختلق ترانزستور السفلي-بوابة. بالمقارنة مع الترانزستور مع موس2 قنوات فقط، التيارات استنزاف أعلى من الجهاز مع WS2/MoS2 هترو-هيكل أظهرت أن مع الأخذ بكريستال 2D هترو-الهياكل، الأجهزة العليا يمكن الحصول على الأداء. وقد كشفت النتائج إمكانات هذا الأسلوب النمو للتطبيق العملي لبلورات 2D.
Introduction
هو واحد من النهج الأكثر شيوعاً للحصول على الأفلام كريستال 2D باستخدام التقشير الميكانيكي من معظم المواد1،2،3،،من45. على الرغم من أن الأفلام كريستال 2D مع بلورات ذات جودة عالية ويمكن بسهولة الحصول على استخدام هذا الأسلوب، لا تتوفر الأفلام كريستال 2D قابلة للتطوير من خلال هذا النهج، وغير ملائم للتطبيقات العملية. وقد ثبت في المنشورات السابقة أن استخدام ترسب البخار الكيميائي (الرسوم التعويضية)، الأفلام كريستال 2D مساحة كبيرة وموحدة يمكن أن استعداد6،7،،من89. النمو المباشر من الجرافين على ركائز الياقوت والسيطرة عليها طبقة-عدد الأفلام2 موس أعده تكرار دورة النمو نفسها أيضا أظهر استخدام الرسوم التعويضية نمو تقنية10،11. في منشور مؤخرا، ملفقة في الطائرة WSe رقائق هترو-هيكل2/MoS2 أيضا استخدام تقنية النمو الرسوم التعويضية12. على الرغم من أن أسلوب النمو الرسوم التعويضية واعدة في تقديم الأفلام قابلة البلورة 2D، العيب الرئيسي لهذا الأسلوب النمو أن السلائف مختلفة يجب أن تكون موجودة لبلورات مختلفة في 2D. كما تختلف شروط النمو بين بلورات مختلفة في 2D. وفي هذه الحالة، إجراءات النمو سوف تصبح أكثر تعقيداً عندما ينمو الطلب لكريستال 2D هترو-الهياكل.
بالمقارنة مع تقنية النمو الرسوم التعويضية، قدم سولفوريزيشن الأفلام المودعة قبل انتقال المعدن نهج نمو مشابهة ولكنها أبسط بكثير ل TMDs13،14. حيث يتضمن الإجراء النمو ترسب المعادن وسولفوريزيشن الإجراء التالي فقط، فمن الممكن تنمو TMDs مختلفة عن طريق النمو نفس الإجراءات. من ناحية أخرى، يمكن أيضا تحقيق التحكم رقم طبقة من بلورات 2D عن طريق تغيير سمك المودعة قبل انتقال المعدن. وفي هذه الحالة، النمو الأمثل وطبقة التحكم رقم وصولاً إلى طبقة واحدة مطلوبة من أجل مختلف TMDs. فهم آليات النمو أيضا مهم جداً لإقامة أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي معقدة هترو-هياكل باستخدام هذا الأسلوب.
في هذه الورقة، موس2 و WS2 تعد أفلام تحت إجراءات نمو مماثلة لترسب المعادن متبوعاً الإجراء سولفوريزيشن. مع النتائج التي تم الحصول عليها من سولفوريزيشن الأفلام مو ظروف كافية ونقص الكبريت، لوحظت الآليتين النمو أثناء إجراء سولفوريزيشن15. بشرط كاف الكبريت، يمكن الحصول على موس موحدة والسيطرة عليها طبقة رقم2 فيلم بعد إجراء سولفوريزيشن. عندما هو سولفوريزيد العينة بشرط نقص الكبريت، الكبريت الخلفية ليست كافية لتشكيل فيلم2 موس كاملة حيث فصل أكسيد مو والتلاحم لا تكون الآلية المسيطرة في مرحلة النمو المبكر. وسيتم الحصول على عينة مع مجموعات أكسيد مو تغطيها طبقات قليلة من موس2 بعد إجراء سولفوريزيشن15. من خلال ترسب المعادن متسلسلة والإجراءات سولفوريزيشن التالية، يمكن إعداد WS2/MoS2 عمودي هترو-الهياكل مع طبقة التحكم رقم وصولاً إلى طبقة واحدة15،16. باستخدام هذا الأسلوب، يتم الحصول على عينة على الركازة ياقوت واحدة مع أربع مناطق: (ط) فارغة الركازة الياقوت، (ثانيا) مستقل موس2و WS (ثالثا)2/MoS2 هترو-هيكل، و (رابعا) مستقل WS217 . تظهر النتائج أن أسلوب النمو هو مفيد لإنشاء العمودي كريستال 2D هترو-هيكل وقادر على النمو الانتقائي. أداء كريستال 2D هترو-هياكل الأجهزة المحسنة سيمثل الخطوة الأولى نحو التطبيقات العملية لبلورات 2D.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1-نمو فرادى المواد 2D (MoS2 و WS2)
-
ترسب المعادن الانتقالية استخدام الترددات اللاسلكية اﻷخرق النظام
- ركيزة2 ياقوت نظيفة 2 × 2 سم توضع على صاحب العينة مع الجانب المصقول نحو أهداف النظام اﻷخرق لترسب المعادن الانتقالية. ويتم اختيار ركائز الياقوت بسبب الاستقرار للياقوت الكيميائية عند درجات حرارة عالية والسطوح الذري مسطحة.
- مضخة أسفل قاعة اﻷخرق إلى 3 × 10-6 عربة تسلسلياً باستخدام مضخة ميكانيكية متبوعاً بمضخة لنشرها.
- حقن الغاز ع النظام اﻷخرق والحفاظ على تدفق الغاز في 40 مل/دقيقة باستخدام وحدة تحكم تدفق جماعي (MFC).
- إبقاء الضغط الدائرة في 5 × 10-2 ميلليمتر زئبق استخدام صمام تحكم يدوي ضغط وإشعال البلازما ع. الحفاظ على إنتاج الطاقة في 40 دبليو
- إنقاص الضغط الدائرة إلى 5 × 10-3 ميلليمتر زئبق استخدام عجلة دليل زاوية صمام القفاز.
- فتح مصراع بين الركيزة الياقوت والهدف معدنية 2 بوصة ويبدأ ترسب المعادن يدوياً. أثناء عملية الترسيب، تبقى السلطة اﻷخرق في 40 ث مو ووكر يتم الاحتفاظ بالضغط الخلفية في عربة-3 × 10 5 مع 40 مل/دقيقة ع تدفق الغاز.
- التحكم في الوقت اﻷخرق إيداع الأفلام المعادن الانتقالية مع سمك مختلفة. سبب سمك معدنية رقيقة، ستوفر اﻷخرق مرات سيطرة أفضل على سمك الفيلم من القراءات من جهاز رنان كريستال الكوارتز.
ملاحظة: إعداد طبقة موس2 و WS2 ازداد استخدام أسلوب بحث في المخطوطة الحالية متناسبة مع العصر اﻷخرق من الأفلام مو و W المودعة من قبل. تصميم اﻷخرق مرات للحصول على موس2 و WS2 مع أرقام الطبقة المطلوبة هو استناداً إلى صور المجهر الإلكتروني (هرتيم) انتقال عالية الاستبانة مستعرضة للعينات مع أوقات مختلفة اﻷخرق. بيد إذا الأفلام المودعة قبل شهر و W سميكة جداً، سوف تصبح فصل أكسيد مو و W إليه النمو السائدة، بدلاً من مستو موس2 و2 WS الفيلم النمو. ولذلك يقتصر تناسب طبقة الأرقام مع أوقات اﻷخرق TMDs قليل-طبقة. مع حالة نمو موس2 في المخطوطة الحالية، ستكون متناسبة مع العصر اﻷخرق عندما يكون الفيلم2 موس طبقات أقل من 10 أرقام طبقة. الوقت اﻷخرق هو 30 ثانية لنمو طبقة 5 موس2.
-
سولفوريزاتيون الفيلم المعادن الانتقالية
- وضع ركائز الياقوت مع الأفلام المودعة قبل انتقال المعادن في وسط فرن حار سولفوريزاتيون.
- ضع مسحوق الكبريت (S) المنبع تدفق الغاز، 2 سم بعيداً عن منطقة التدفئة من الفرن. في هذا الموقف، سوف تكون درجة حرارة التبخر لمسحوق S 120 درجة مئوية عند درجة حرارة الركازة يزيد على 800 درجة مئوية. التحكم بدقة في وزن مسحوق S لمختلف المعادن الانتقالية سولفوريزيشن. في هذا العمل، وزن مسحوق S 1.5 ز لشهر و 1.0 ز لوكر
ملاحظة: يمكننا تحديد كميات مسحوق الكبريت لإعداد موس2 وأفلام2 WS استناداً إلى النتائج التي تم الحصول عليها لكل المواد التي أعدت باستخدام كميات مختلفة من مسحوق الكبريت. - إبقاء الضغط الفرن في عربة 0.7. أثناء إجراء سولفوريزيشن، استخدمت الغاز ع مل 130 في الدقيقة كالغاز الناقل.
- منحدر درجة حرارة الفرن من درجة حرارة الغرفة إلى 800 درجة مئوية في 40 دقيقة بمعدل 20 درجة مئوية/دقيقة تكثف حرارة الحفاظ على درجة حرارة على 800 درجة مئوية حتى يتبخر مسحوق الكبريت تماما. وبعد ذلك إيقاف تشغيل الطاقة مسخن لخفض درجة حرارة الفرن. ويستغرق حوالي من 30 إلى 40 دقيقة للفرن تصل درجة حرارة الغرفة من 800 درجة مئوية.
- إجراء قياسات الطيف رامان استخدام 488 نانومتر ليزر15،،من1617. الحصول على الصور هرتيم مستعرضة للتحقق من إعداد طبقة من بلورات 2D15،،من1617.
2-أن نمو WS2/MoS2 واحد هترو-الهيكل الرأسي
ملاحظة: يتم استخدام هذا القسم لإنشاء هيكل المتغايرة واحد يتألف من طبقة ياقوت مع الطبقات 5 موس2 و 4 طبقات WS2.
- اتبع نفس الإجراء كخطوة 1.1. إيداع الفيلم مو على الركازة الياقوت باستخدام الترددات اللاسلكية اﻷخرق النظام مع 30 s اﻷخرق الوقت.
- سولفوريزي الفيلم مو اتباع نفس الإجراءات سولفوريزيشن كخطوة 1.2 لنمو موس2. وسيتم الحصول على خمس طبقات من موس2 بعد إجراء سولفوريزيشن.
- اتبع نفس الإجراءات خطوة 1.1. إيداع الفيلم ث على موس2/الركازة الياقوت باستخدام الترددات اللاسلكية اﻷخرق النظام مع 30 s اﻷخرق الوقت.
- سولفوريزي الفيلم ث اتباع نفس الإجراء سولفوريزيشن من الخطوة 1، 2 لنمو WS2. وسيتم الحصول على أربع طبقات من WS2 على رأس موس2 بعد إجراء سولفوريزيشن.
ملاحظة: الإجراء سولفوريزيشن وترسب المعادن هو نفس المواد الفردية. مرات اﻷخرق من الأفلام مو و W تتحدد تبعاً لإعداد الطبقة المطلوبة موس2 وطبقات2 WS. ويمكن إنشاء هياكل مزدوجة أو متعددة عن هيتيرو بتكرار نفس الإجراء النمو. كما يمكن تغيير تسلسل TMDs في هترو-الهياكل العمودية اعتماداً على هيكل عينة.
3-نقل الفيلم وإجراءات تصنيع الجهاز
-
الفيلم نقل الداخلي للأفلام 2D كريستال
- تدور معطف ثلاث قطرات poly(methyl methacrylate) (البولي ميثيل ميثا اكريلات) على الفيلم أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي لتغطية الفيلم كله في درجة حرارة الغرفة. يتم بسرعة دوران مرحلتين لزر الزيادة والنقصان 500 لفة في الدقيقة ل 10 s و 800 لفة في الدقيقة لمدة 10 ق. وبعد علاج في 120 درجة مئوية لمدة 5 دقائق، هو سمك البولي ميثيل ميثا اكريلات حوالي 3 ميكرومتر.
- ضع العينة البولي ميثيل ميثا اكريلات/أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي/ياقوت في طبق بتري الذي مليء بالمياه (دي).
- تقشر زاوية واحدة من فيلم البولي ميثيل ميثا اكريلات/أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي من الركازة الياقوت استخدام الملقط في المياه دي.
- الحرارة 250 مل محلول مائي كوه م 1 (14 جرام كوه الكريات مختلطة مع 250 مل من الماء) في كوب إلى 100 درجة مئوية. نقل العينة في المحلول ساخن كوه ومواصلة تقشير فيلم البولي ميثيل ميثا اكريلات/أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي حتى الفيلم تماما انشقت من الركازة. تقشير يتطلب حوالي 1 دقيقة لإكمال.
- استخدام ركيزة ياقوت منفصلة لحلج القطن يصل فيلم البولي ميثيل ميثا اكريلات/أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي من الحل كوه. نقل الفيلم إلى كوب 250 مل مليئة بالمياه دي يغسل بقايا كوه في الفيلم. في هذه المرحلة، ضعيفة الالتصاق بين فيلم البولي ميثيل ميثا اكريلات/أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي والركيزة الياقوت حلج القطن في الفيلم. ولذلك، سيتم إرفاق الفيلم دي من الركازة الياقوت بعد الغمر في الماء دي.
- كرر الخطوات 3.1.4-3.1.5 ثلاث مرات استخدام مياه دي جديدة للتأكد من إزالة معظم بقايا كوه من الفيلم.
ملاحظة: الالتصاق بين كل طبقة أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي أقوى بكثير من TMDs مع الركيزة الياقوت. ولذلك، يمكن تطبيق نفس الإجراء نقل الفردية موس2/WS2 المواد أو هياكلها المتغايرة. الأفلام كريستال 2D سوف تكون تماما انشقت من الركازة، ومماثلة لتقشير موس2/graphene هترو-هيكل ناقش في منشور سابق18. استناداً إلى الغرض من نقل الفيلم، الركيزة المذكورة في هذه الخطوة يمكن أن يكون الركازة ياقوت أو ركيزة/Si SiO2مع أقطاب المودعة مسبقاً، كما هو موضح في الخطوة 3، 2. يمكن أيضا استخدام ركائز أخرى لهذا الغرض.
-
تصنيع الترانزستورات كريستال 2D.
- استخدام الطباعة التصويرية القياسية لتحديد أنماط القطب في SiO2/Si ركائز15،،من1617. أقطاب المصدر واستنزاف 10 نانومتر التيتانيوم (Ti) أو 100 نانومتر الذهب (الاتحاد الأفريقي) ملفقة عن 300 نانومتر SiO2/p-type Si الركازة.
- تزج SiO2/Si الركازة مع منقوشة أقطاب المصدر/استنزاف مسبقاً في الكأس مملوءة بالمياه دي وإرفاق إلى جانب أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي فيلم البولي ميثيل ميثا اكريلات/أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي كما أعدت في الخطوة 3، 1.
- خبز العينة عند 100 درجة مئوية لمدة 3 دقائق، بعد إرفاق الفيلم الركيزة/Si SiO2، لإزالة بقايا المياه.
- التنقيط وثلاث قطرات من البولي ميثيل ميثا اكريلات على العينة مع فيلم البولي ميثيل ميثا اكريلات/أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي لتغطية السطح كله وجعل الفيلم أكثر شدة تعلق على الركازة.
- ضع العينة في وزراء جافة إلكترونية لمالا يقل عن 8 ح قبل الانتقال إلى الخطوة التالية.
- ملء اثنين مختلفة 250 مل قنينة مع الأسيتون. تزج العينة المرفقة مع فيلم البولي ميثيل ميثا اكريلات/أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي تسلسلياً في قنينة مختلفة اثنين مليئة بالأسيتون ل 50 و 10 دقيقة، على التوالي، لإزالة طبقة البولي ميثيل ميثا اكريلات العلوي.
- تعريف القناة الترانزستور باستخدام الصورة القياسية-الطباعة الحجرية والنقش برد الفعل أيون15،،من1617. مرة أخرى-بوابة موس2 والترانزستورات2/MoS2 هترو-هيكل WS هي ملفقة15،،من1617. قناة الطول والعرض للأجهزة 5 و 150 ميكرومتر، على التوالي.
- استخدام أداة سورسيميتير نظام مزدوجة القناة إلى قياس خصائص الجهد الحالي من الترانزستورات15،،من1617.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ويبين الطيف رامان، وصور مقطعية هرتيم الفردية موس2 و WS2 ملفقة باستخدام سولفوريزيشن المودعة قبل انتقال المعادن في الشكل 1 ألف-ب17، على التوالي. اثنين من قمم رامان المميزة ملاحظة بالنسبة لكل من موس2 و WS2، التي تقابل في الطائرة 
والخروج من الطائرةز 1 فونون الاهتزاز وسائط في 2D بلورات. الفرق التردد Δk من اثنين من قمم رامان للعينة2 موس هو 24.1 سم-1، مما يوحي بأن 4-5 طبقات من موس2 وحصل على19. ومع ذلك، من الصعب تحديد عدد ممكن طبقة مباشرة من سم 63.4 قيمة كبيرة Δk -1 WS217. وقد كشفت الصور هرتيم مستعرضة من العينات اثنين، كما هو مبين في الشكل 1 ج-د، 5 و 4 طبقة موس2 الحصول على و WS2 لكلا العينتين، على التوالي. أظهرت النتائج أن من خلال سولفوريزينج الفلزات الانتقالية ومساحة كبيرة وموحدة موس2 WS يمكن الحصول على الأفلام2 .
هو عرض الصورة هرتيم مستعرضة من الفيلم مو نانومتر 1.0 سولفوريزيد تحت ظروف نقص الكبريت في الشكل 2 ألف، حيث شوهدت مجموعات مغطاة بطبقة قليل من بلورات 2D. هذه النتائج أشارت إلى أن آليتين النمو لوحظت أثناء إجراء سولفوريزيشن15. بشرط كاف الكبريت، ردود فعل الكبريت للأكسجين جرت بسرعة بمستو موس2 تغطية العينة كلها في فترة زمنية قصيرة. هذا الفيلم2 موس مستو على سطح العينة يمكن منع المزيد من الهجرة المادية مثل أن موس موحدة والسيطرة عليها طبقة رقم2 فيلم يمكن الحصول عليها بعد إجراء سولفوريزيشن. ومع ذلك، عندما كان سولفوريزيد العينة بشرط نقص الكبريت، الكبريت الخلفية لم تكن كافية لتشكيل فيلم2 موس كاملة أن فصل أكسيد مو والتلاحم هي الآلية المسيطرة في مرحلة النمو المبكر. وفي هذه الحالة، سيتم الحصول على عينة مع مجموعات أكسيد مو مشمولة بقليل-طبقة موس2 بعد إجراء سولفوريزيشن15. يظهر الرسم التخطيطي تصف نموذج سولفوريزيشن المعادن الانتقالية في الشكل 215. حيث شوهدت آليتان النمو أثناء إجراء سولفوريزيشن، كان هناك حدا أعلى لعدد الطبقة2 موس مع النمو مرة واحدة.
استخدام متسلسلة من ترسب المعادن مع سولفوريزيشن الإجراءات التي نوقشت أعلاه، أعد WS2/MoS2 واحد هترو-هيكل بعد إجراءات اثنين من ترسب المعادن الانتقالية/سولفوريزيشن. وترد في الشكل 3 ألف-ب17أطياف رامان والصورة هرتيم المقطع العرضي للعينة. ويوحي عدد طبقة متطابقة 9 مع ملخص الفردية 5 و 4 طبقة موس2 و WS2 إلى جانب الصفة رامان قمم تناظر موس2 و WS2، على التوالي، أن كانت العينة WS2/ موس2 هترو-هيكل واحد. في أعقاب إجراءات مماثلة في النمو، أعد WS2/MoS2/WS2 مزدوجة هترو-هيكل بعد الإجراءات الثلاثة من ترسب المعادن الانتقالية/سولفوريزاتيون. يبين الشكل 3 ج-دأطياف رامان والصورة هرتيم المقطع العرضي للعينة. مع ملاحظة مماثلة موس2 و WS2 قمم رامان المميزة المذكورة أعلاه، وقد لوحظت فقط ثلاث طبقات من بلورات 2D لهذه العينة. وقد كشفت هذه النتائج أنه تم الحصول على طبقة (أ) جيدة للتحكم رقم وصولاً إلى طبقة واحدة لهذه التقنية النمو وكريستال 2D عمودي (ب) يمكن إنشاء هيكل المتغايرة مزدوجة في سمك طبقة ذرية الثلاثة16.
عينة أخرى مع تغطية نصف ترسب المعادن الانتقالية مستعدة لإظهار إمكانية النمو الانتقائي باستخدام التقنية النمو التي تمت مناقشتها في هذا التقرير. بحجب نصف الركيزة ياقوت خلال ترسب مو نانومتر 1.0، نصف الركيزة يمكن أن تغطي موس2 بعد سولفوريزاتيون. بعد ذلك، العينة كان استدارة 90 درجة لإيداع ث لتغطية نصف الركيزة الياقوت. وقد أجرى نفس الإجراء سولفوريزيشن مرة أخرى. وفي هذه الحالة، تم الحصول على أربع مناطق مع الركازة الياقوت (أ) فارغة، (ب) مستقل موس2، (ج) WS2/MoS2 هترو-هيكل، و (د) مستقل WS2 داخل الركيزة ياقوت واحد17. يتم إظهار الصورة وأطياف رامان من أربع مناطق مختلفة في العينة في الشكل 4. كما هو موضح في الشكل، بشكل انتقائي كانت تزرع مساحة كبيرة وموحدة WS2 وأفلام2 موس وهياكلها المتغايرة الرأسي على الركازة الياقوت نفس. أشارت هذه النتائج إلى أن أسلوب النمو سولفوريزيشن المعادن الانتقالية إلى جانب إنشاء هياكل هترو الرأسي، نما بشكل انتقائي بلورات 2D على ركائز. قد تعطي هذه المرونة مجالاً أكبر لافتراءات الجهاز العملي على أساس المواد ثنائية الأبعاد وهياكلها المتغايرة.
لمقارنة أداء جهاز الترانزستور مع موس2 و WS2/MoS2 هترو-الهيكل الرأسي كقنوات الجهاز، كانت ملفقة الترانزستورات اثنين عقب تلفيق الإجراء الموضح في الخطوة 3 البروتوكول. ويبين الرسم التخطيطي يظهر الإجراء تلفيق أيضا الشكل 5a. أناد-V منحنياتع الأجهزة في الخامسDS = 10 الخامس مبينة في الشكل 5b. بالمقارنة مع الترانزستور2 موس، لوحظت زيادة الحالية استنزاف كبير للجهاز هيكل المتغايرة. قيم الحقل-تأثير الحراك الجهازين مع موس2 و WS2/MoS2 هترو-الهيكل كقنوات المستخرجة من المنحنيات هي 0.27 و/V·s2سم 0.69، على التوالي. يمكن أن يكون لدينا التنبؤ السابق لحقن إلكترون من WS2 موس2 ومن قنوات تركيز إلكترون أعلى إطار التوازن الحراري المسؤولة عن هذه الظاهرة.
بعد ترسب الفيلم مو رقيقة، نقل إلى خارج قاعة اﻷخرق العينة والمعرضة للهواء. منذ الفيلم مو رقيقة جداً، فإنه كان تتأكسد وتشكيل أكاسيد مو بسرعة في ظل الظروف المحيطة. XPS المنحنى (مطيافية إلكترون الأشعة السينية) للعينة قبل إجراء سولفوريزيشن هو مبين في الشكل 6a. كما هو موضح في الشكل، كان يتألف الفيلم مو2 و مو3 قبل الإجراء سولفوريزيشن. وتوحي هذه النتائج أن الفيلم مو كان تتأكسد أثناء إجراء التحويل من قاعة اﻷخرق للفرن الساخن. قد جاءت الأدلة الداعمة الأخرى لتشكيل الكريستال 2D هترو-الهيكل من النقش انتقائية تعادل كريستال 2D هترو-الهيكل. لهذا الغرض، قد أثبتنا أنه يمكن تحقيق النقش الذري موس2 و WS2 باستخدام طاقة منخفضة الأكسجين البلازما العلاج20. نستطيع أن نحقق ما يعادل النقش الانتقائي هترو-الهيكل الرأسي بتكرار الطبقة الذرية النقش الداخلي. ويبين الطيف رامان محفوراً محفوراً الأمم المتحدة 4-طبقة WS2/3-layer موس2 عمودي هترو-الهيكل و الشكل 6b. مرات النقش طبقة ذرية كانت متسقة مع عدد طبقة WS2 (4 مرات). ملاحظات موس2 ورامان WS2 إلى الذروة في منطقة الأمم المتحدة محفوراً، وإشارات موس2 فقط في المنطقة المحفورة، وتشير إلى أن بنية المتغايرة رأسي أنشئت باستخدام التقنية النمو التي نوقشت في هذه الورقة.
الشكل 1: بلورات 2D الفردية من موس2 و WS2- (أ، ب) أطياف رامان والصور (ج، د) هرتيم مستعرضة من مستقل موس2 و WS2، على التوالي17. يتم الحصول على العينات من سولفوريزينج 1.0 نانومتر مو وأفلام ث أعدها نظام اﻷخرق. كما هو موضح في أطياف رامان، اثنين من قمم رامان مميزة لوحظت موس2 و WS2، التي تقابل في الطائرة 
والخروج من الطائرة 
فونون الاهتزاز وسائط في 2D بلورات. وكانت إعداد طبقة رقم موس2 و WS2 ازداد استخدام أسلوب بحث في المخطوطة الحالية تتناسب مع أوقات اﻷخرق من الأفلام مو و W المودعة من قبل. تصميم اﻷخرق مرات للحصول على موس2 و WS2 مع أرقام الطبقة المطلوبة يستند إلى الصور هرتيم مستعرضة للعينات مع أوقات مختلفة اﻷخرق. بيد إذا الأفلام المودعة قبل شهر و W سميكة جداً، سوف تصبح فصل أكسيد مو و W إليه النمو المهيمنة بدلاً من مستو موس2 و2 WS الفيلم النمو. ولذلك، تناسب طبقة الأرقام مع أوقات اﻷخرق اقتصر على TMDs طبقة قليل. مع ظروف النمو موس2 في المخطوطة الحالية، ستكون متناسبة مع العصر اﻷخرق عندما يكون الفيلم2 موس طبقات أقل من 10 أرقام طبقة. الوقت اﻷخرق هو 30 ثانية لنمو طبقة 5 موس2. وقد تم تعديل هذا الرقم من وو et al. 17 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
رقم 2: نموذج النمو للمعادن الانتقالية سولفوريزيشن. () هرتيم مستعرضة صورة الفيلم مو نانومتر 1.0 سولفوريزيد تحت حالة نقص الكبريت و (ب) الرسم التخطيطي تصف نموذجا ل المعادن الانتقالية سولفوريزيشن15. شروط النمو للعينة على استعداد مع مسحوق الكبريت لا توضع في الفرن يشار إلى حالة نقص الكبريت. حيث دائماً هناك بقايا تراكم الكبريت قرب المصب قاعة النمو بعد تكرار دورات النمو، ومن المتوقع أن كمية صغيرة من الكبريت سوف لا يزال منتشر على سطح العينة ويؤدي النمو2 موس. ومع ذلك، في ظل هذه الظروف نقص الكبريت، ستتحول ليست كلها مو المودعة قبل إلى موس2. وقد تم تعديل هذا الرقم من وو وآخرون15. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 3: موس2/WS2 مفرد-مزدوج-هترو-هياكل و. أطياف رامان والصور هرتيم مستعرضة WS2/MoS2 (أ، ب) واحد-و (ج، د) هترو-الهياكل16،17. كما هو موضح في الطيف رامان، في الطائرة والخروج من الطائرة ملاحظة أنماط الاهتزاز فونون موس2 و WS2 بالنسبة لكريستال 2D هترو-الهياكل. تم تعديل هذه الأفرقة من تشن وآخرون ووو et al. 16 , 17 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 4: انتقائية نمو البلورات في 2D. الصورة وأطياف رامان من أربع مناطق من العينة التي أعدت مع ترسبات معدنية انتقالية تغطي النصف على الركازة ياقوت واحد17. أطياف رامان في () فارغة الياقوت الركازة، (ب) مستقل موس2، (ج) WS2/MoS2 هترو-هيكل و (د) مستقل WS2 مناطق العينة كشف مميزة قمم رامان. وقد تم تعديل هذا الرقم من وو et al. 17 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 5: أداء الجهاز MoS2 و WS2/MoS2 ترانزستور هترو-الهيكل الرأسي- () الإجراء تصنيع الترانزستورات مع موس2 و WS2/MoS2 هترو-الهيكل الرأسي كالقنوات و (ب) أناد-V منحنياتع جهازين في الخامسDS = 10 الخامس 17-سمك 1.0 شمال البحر الأبيض المتوسط للأفلام مو و W تم الحصول عليها من القراءات لجهاز رنان كريستال الكوارتز. كانت أوقات اﻷخرق 30 ثانية لكل من المواد. وقد تم تعديل هذا الرقم من وو et al. 17 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 6: أكسدة المودعة قبل مو أفلام والنقش انتقائية يعادل WS المتغايرة عمودي2/MoS2 -هياكل- () XPS منحنى من العينة مع الفيلم مو المودعة مسبقاً قبل الإجراء سولفوريزيشن. الفيلم يتكون من مو2 و3 من مو قبل الإجراء سولفوريزاتيون. وتوحي هذه النتائج أن الفيلم مو كان تتأكسد أثناء إجراء التحويل من قاعة اﻷخرق للفرن الساخن. (ب) "رامان" أطياف محفوراً والمحفور الأمم المتحدة 4-طبقة WS2/3-layer موس2 هترو-الهيكل الرأسي. بعد أربع مرات من طبقة ذرية محفورة، لوحظت فقط موس2 قمم في المنطقة المحفورة؛ وقد تم تعديل الفريق ب من تشن et al. 20 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
بالمقارنة مع مواد أشباه الموصلات التقليدية مثل Si و GaAs، استفادة المواد ثنائية الأبعاد لتطبيقات الجهاز يكمن في إمكانية تصنيع الجهاز مع الهيئات رقيقة جداً وصولاً إلى عدة طبقات ذرية. عندما تقدم الصناعة سي إلى < 10 عقده التكنولوجيا في شمال البحر الأبيض المتوسط، نسبة العرض إلى الارتفاع ارتفاع الزعنفة Si FET سيجعل بنية الجهاز غير مناسب للتطبيقات العملية. وهكذا ظهرت المواد ثنائية الأبعاد بسبب إمكاناتها لتحل محل Si لتطبيقات الأجهزة الإلكترونية.
على الرغم من أن المواد ثنائية الأبعاد درس آخر، الجرافين، يتوقع أن يحمل قيم قدرة عالية على الحركة، قد أدى طبيعته bandgap صفر إلى أي دولة OFF ترانزستور الجرافين. وفي هذه الحالة، قد تأتي 2D مواد أخرى مثل TMDs مع قيم bandgap مرئية في الاعتبار. في الوقت الحاضر، النهج الأكثر شيوعاً للحصول على مساحة كبيرة TMDs لاستخدام تقنية الرسوم التعويضية. على الرغم من أن هذا الأسلوب النمو توفر مساحة كبيرة وموحدة من الأفلام أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي، اختيار سلائف المناسبة ودرجات حرارة مختلفة للنمو ل TMDs مختلفة غير ملائم لتطوير هياكل معقدة مثل المواد ثنائية الأبعاد هترو-الهياكل. في هذه الحالة، سولفوريزيشن المعادن الانتقالية كما تمت مناقشته في هذه الورقة قد أصبح نهجاً واعداً لإقامة أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي هترو-هياكل. فمن الممكن سولفوريزي TMDs مختلفة سولفوريزيشن في ظروف مماثلة.
مسألة هامة لنمو المواد 2D يتم التحكم عدد طبقة. وقد تحقق التحكم رقم طبقة الفيلم2 موس أعده سولفوريزينج انتقال المعادن كما ورد في هذه الورقة بالتحكم في سمك الفيلم مو المودعة قبل. وتسيطر سمك الفيلم مو الوقت اﻷخرق. وفي حالة 30 s اﻷخرق الوقت، سمك الفيلم مو قدرت ~ 1 نانومتر. بعد هذا الإجراء سولفوريزيشن، خمس طبقات من موس2 ينبغي الحصول على17. وفي حالة 10 s اﻷخرق الوقت، موس مونو-طبقة2 وينبغي الحصول على16.
تقييد هذا الأسلوب النمو الرئيسية تكمن في إعداد طبقة كحد أقصى مع سولفوريزيشن مرة واحدة. كما تمت مناقشته في المقطع السابق، بعد خلع الفيلم مو رقيقة، كان نقل إلى خارج قاعة اﻷخرق العينة والمعرضة للهواء. ولما كان الفيلم مو رقيقة جداً، كان تتأكسد وتشكيل أكاسيد مو بسرعة تحت الظروف المحيطة. ولذلك، إذا كان الفيلم مو المودعة قبل سميكة جداً، موس مستو2 لن تكون كافية لمنع فصل أكسيد مو أثناء إجراء سولفوريزيشن، وسوف يتم الحصول على عينة مع مجموعات متعددة الطبقات موس2 تغطي أكاسيد مو. وكان عدد الطبقة2 موس أعلى مع ظروف النمو واعتمدت في هذه الورقة، دورة حوالي 10 مع نمو مرة واحدة.
وللتغلب على هذا العيب، إذا كان مطلوباً فيلم2 موس مع طبقة عدد أكبر من 10، من الممكن تكرار نفس الإجراء النمو من ترسب المعادن وسولفوريزيشن للحصول على الفيلم مع العدد المطلوب من طبقات11. وقدمت سولفوريزيشن المودعة قبل انتقال المعادن إمكانية قابلة النمو الفيلم أنظمة الدفاع الصاروخي التكتيكي مع طبقة جيدة للتحكم رقم. باستخدام هذا النهج، إنشاء هياكل هترو الرأسي والنمو الانتقائي على ركائز الياقوت قد أظهرت أيضا. التقنية النمو التي نوقشت في هذه الورقة سوف تشكل خطوة هامة نحو التطبيق العملي لبلورات 2D. مع أداء كريستال 2D هترو-هياكل الأجهزة المحسنة، يمكن أن تكون المواد 2D مرشح محتمل لتطوير الأجهزة الإلكترونية شمال البحر الأبيض المتوسط الحجم. المواد 2D التراص في عملها مستقبلا، وإنشاء هياكل المتغايرة المختلفة للحصول على الخصائص البصرية والكهربائية المختلفة مع المواد الفردية ستكون مسألة مهمة للتطبيقات العملية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
Acknowledgments
هذا العمل وأيده في الجزء المشاريع الأكثر 105-2221-E-001-011-MY3 والأكثر 105-2622-8-002-001 الممولة من وزارة العلوم والتكنولوجيا، وتايوان، وجزئياً بمركزه المشروع الممولة من مركز البحوث "العلوم التطبيقية"، سينيكا، تايوان.
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. Single-layer MoS2 transistors. Nat. Nanotechnol. 6, 147-150 (2011).
- 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).
