Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Forberedelse af store område lodret 2D Crystal Hetero-strukturer for gennem Sulfurization af overgangen Metal film for enheden fabrikation

Published: November 28, 2017 doi: 10.3791/56494
Automatic Translation
1,2, 2,3, 1,2, 1,2
1Graduate Institute of Electronics Engineering, National Taiwan University, 2Research Center for Applied Sciences, Academia Sinica, 3Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

Summary

Gennem sulfurization af prædeponeret overgangsmetaller, kan store flader og lodret 2D krystal hetero-strukturer være opdigtet. Film overførsel og indretning fabrikation procedurer er også vist i denne betænkning.

Abstract

Vi har vist, at gennem sulfurization af overgangen metal film som molybdæn (Mo) og wolfram (W), store flader og ensartet overgangen metal dichalcogenides (TMDs) MoS2 og WS2 kan tilberedes på safir substrater. Ved at kontrollere metalfilm tykkelser, kan god lag nummer kontrollerbarhed, ned til et enkelt lag af TMDs, opnås ved hjælp af denne vækst teknik. Baseret på resultaterne fra Mo film sulfurized svovl mangelfuld betingelse, er der to mekanismer af a planar MoS2 vækst og (b) Mo oxid segregation observeret under sulfurization proceduren. Når baggrunden svovl er tilstrækkelig, er planar TMD vækst den dominerende vækst mekanisme, som vil resultere i en ensartet MoS2 film efter sulfurization proceduren. Hvis baggrunden svovl er mangelfuld, vil Mo oxid adskillelse være den dominerende vækst mekanisme i den indledende fase af proceduren for sulfurization. I dette tilfælde, vil prøve med Mo oxid klynger dækket med par-lag MoS2 blive opnået. Efter sekventielle Mo deposition/sulfurization og W deposition/sulfurization procedurer, lodret WS2/MoS2 hetero-strukturer er etableret ved hjælp af denne vækst teknik. Raman toppe vist til WS2 og MoS2, henholdsvis, og identisk lag antallet af hetero-struktur med summen af individuelle 2D materialer har bekræftet vellykket etablering af lodrette 2D krystal hetero-struktur. Efter overførsel af WS2/MoS2 film på SiO2/Si substrat med pre mønstrede kilde/afløb elektroder, er en bund-gate transistor opdigtet. Sammenlignet med transistor med kun MoS2 kanaler, har de højere afløb strømninger af enheden med WS2/MoS2 hetero-struktur udstillet, at med indførelsen af 2D krystal hetero-strukturer, overlegen enhed resultater kan opnås. Resultaterne har afsløret potentialet i denne vækst teknik for den praktiske anvendelse af 2D krystaller.

Introduction

En af de mest almindelige metoder til at opnå 2D krystal film ved hjælp af mekaniske eksfoliering bulk materialer1,2,3,4,5. Selvom 2D krystal film med høj krystallinske kvalitet opnås nemt ved hjælp af denne metode, er skalerbar 2D krystal film ikke tilgængelig via denne tilgang, som er ufordelagtige for praktiske anvendelser. Det er blevet påvist i tidligere publikationer at bruge kemisk dampudfældning (CVD), store flader og ensartet 2D krystal film kan være forberedt6,7,8,9. Direkte vækst af graphene på safir substrater og lag-nummer-styrbar MoS2 film forberedt ved at gentage den samme vækstcyklus er også demonstreret ved hjælp af CVD vækst teknik10,11. I en nylig publikation fremstillet i flyet WSe2/MoS2 hetero-struktur flager er også ved hjælp af CVD vækst teknik12. Selv om CVD vækst teknik er lovende i at levere skalerbare 2D krystal film, er den store ulempe ved denne vækst teknik, at forskellige prækursorer skal være placeret i forhold til forskellige 2D krystaller. Vækstbetingelser varierer også mellem forskellige 2D krystaller. I dette tilfælde vil vækst procedurer blive mere kompliceret, når efterspørgslen vokser for 2D krystal hetero-strukturer.

Sammenlignet med CVD vækst teknik, har sulfurization af prædeponeret overgangen metal film givet en lignende men langt enklere vækst tilgang til TMDs13,14. Da vækst procedure indebærer kun metal deposition og den følgende procedure, sulfurization, er det muligt at dyrke forskellige TMDs gennem de samme procedurer, vækst. På den anden side kan lag nummer kontrollerbarhed de 2D krystaller også opnås ved at ændre prædeponeret overgangen metal tykkelser. I dette tilfælde vækst optimering og lag nummer kontrol ned til et enkelt lag er påkrævet for forskellige TMDs. forstå vækst mekanismer er også meget vigtigt for etableringen af komplicerede TMD hetero-strukturer ved hjælp af denne metode.

I dette papir, MoS2 og WS2 tilberedt film under lignende vækst procedurer af metal deposition efterfulgt af sulfurization proceduren. Med resultaterne fra sulfurization af Mo film på svovl tilstrækkelig og mangelfuld betingelser overholdes to vækst mekanismer under sulfurization procedure15. Under svovl tilstrækkelig betingelse, kan en ensartet og lag-nummer-styrbar MoS2 film opnås efter sulfurization proceduren. Når prøven er sulfurized under svovl mangelfulde tilstand, er baggrund svovl ikke tilstrækkelige til at danne en komplet MoS2 film, sådan at Mo oxid segregation og sammensmeltning vil være den dominerende mekanisme i den tidlige vækst fase. En prøve med Mo oxid klynger er omfattet af par lag af MoS2 vil være fremstillet efter sulfurization procedure15. Gennem fortløbende metal deposition og følgende procedurer, sulfurization, kan WS2/MoS2 lodrette hetero-strukturer med lag nummer kontrollerbarhed ned til et enkelt lag være forberedt15,16. Brug af denne teknik, en prøve er fremstillet på en enkelt safir substrat med fire regioner: (I) Tom safir substrat, (II) standalone MoS2, (III) WS2/MoS2 hetero-struktur, og (IV) standalone WS217 . Resultaterne viser, at væksten teknik er fordelagtige for etablering af lodrette 2D krystal hetero-struktur og er i stand til at selektiv vækst. De forbedrede enhed opførelser af 2D krystal hetero-strukturer vil markere det første skridt mod praktiske anvendelser for 2D krystaller.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. vækst af individuelle 2D materiale (MoS2 og WS2)

  1. Overgangen metal aflejring ved hjælp af et RF sputtering system
    1. En ren 2 x 2 cm2 safir substrat er placeret på prøveholderen med poleret side mod mål af den spruttende system for overgangen metal deposition. Safir substrater er valgt på grund af sapphire's kemiske stabilitet ved høje temperaturer og atomic-flade overflader.
    2. Pumpen ned den spruttende kammer til 3 x 10-6 torr sekventielt ved hjælp af en mekanisk pumpe, efterfulgt af en diffusionspumpe.
    3. Tilføre den spruttende system Ar gas og holde gasstrømmen på 40 mL/min. ved hjælp af en masse strømningsregulatoren (MFC).
    4. Holde kammeret pres på 5 x 10-2 torr ved hjælp af en manuel pres ventil og antænde Ar plasma. Holde udgangseffekten på 40 W.
    5. Formindske kammer trykket til 5 x 10-3 torr ved hjælp af en manuel hjulet vinkel poppet valve.
    6. Manuelt åbne lukkeren mellem den safir substrat og 2-tommer metal mål og starte metal deposition. Under proceduren deposition holde den spruttende magt på 40 W for både Mo og W. Baggrund trykket holdes på 5 × 10-3 torr med 40 mL/min. Ar gasflow.
    7. Kontrollere den spruttende tid at deponere overgangen metal film med forskellige tykkelser. På grund af den tynde metal tykkelse, vil sputtering gange give bedre kontrol over filmtykkelse end aflæsninger fra kvarts krystal resonator.
      Bemærk: Lag numre af MoS2 og WS2 dyrkes ved hjælp af metoden drøftet i det aktuelle manuskript er proportional med de spruttende gange prædeponeret Mo og W film. Bestemmelse af sputtering gange at få MoS2 og WS2 med kræves lag tal er baseret på tværsnits høj opløsning transmissions Elektron Mikroskopi (HRTEM) billeder for prøver med forskellige spruttende gange. Men hvis prædeponeret Mo og W filmene er for tyk, Mo og W oxid adskillelse bliver den dominerende vækst mekanisme, i stedet for planar MoS2 og WS2 film vækst. Proportionaliteten af lag numre med de spruttende gange er derfor begrænset til par-lag TMDs. Med betingelsen vækst af MoS2 i det aktuelle manuskript vil lag numre være proportionalt med de spruttende gange når MoS2 film er færre end 10 lag. Den spruttende tid er 30 s for væksten af 5-lag MoS2.
  2. Sulfurization af overgangen metal film
    1. Placer de safir substrater med prædeponeret overgangen metal film midt i en varm ovn til sulfurization.
    2. Placer svovl (S) pulver opstrøms af gasstrømmen, 2 cm fra den varme zone af ovnen. I denne stilling, vil fordampning temperatur for S pulver være 120 ° C når substrat temperaturen stiger til 800 ° C. Netop kontrol S pulver vægt for forskellige overgangsmetaller for sulfurization. I arbejdet er S pulver vægt 1,5 g for Mo og 1.0 g i W.
      Bemærk: Vi bestemmer svovl pulver beløb til forberedelse af MoS2 og WS2 film baseret på resultaterne for hvert materiale udarbejdet ved hjælp af forskellige mængder af svovl pulver.
    3. Holde ovnen pres på 0,7 torr. Under proceduren sulfurization blev 130 mL/min. Ar gas brugt som bæregas.
    4. Rampe temperatur på ovnen fra stuetemperatur til 800 ° C i 40 min med en temperatur ramping sats på 20 ° C/min. holde temperaturen ved 800 ° C indtil svovl pulver er helt fordampet. Efter dette slukkes varmelegeme magt til at sænke temperaturen, ovn. Det tager ca 30-40 min til ovnen at nå stuetemperatur fra 800 ° C.
  3. Udføre Raman spektrum målinger ved hjælp af en 488 nm laser15,16,17. Opnå de tværsnits HRTEM billeder for at kontrollere lag antallet 2D krystaller15,16,17.

2. vækst af WS2/MoS2 lodrette enkelt Hetero-strukturen

Bemærk: Denne sektion bruges til at oprette en enkelt hetero-struktur bestående af et sapphire lag med 5 lag af MoS2 og 4 lag af WS2.

  1. Følg samme procedure som trin 1.1. Deponere Mo film på safir underlaget ved hjælp af RF sputtering system med en 30 s sputtering tid.
  2. Sulfurize Mo film efter de samme procedurer, der sulfurization som trin 1.2 for vækst af MoS2. Fem lag af MoS2 vil være opnået efter sulfurization proceduren.
  3. Følg samme procedurer som skridt 1.1. Deponere W film på MoS2/safir substrat ved hjælp af RF sputtering system med en 30 s sputtering tid.
  4. Sulfurize W film den samme sulfurization procedure af trin 1.2 for væksten af WS2. Fire lag af WS2 vil blive opnået på toppen af MoS2 efter sulfurization proceduren.
    Bemærk: Metal deposition og sulfurization proceduren er den samme som den enkelte materiale. De spruttende gange af Mo og W filmene bestemmes afhængig af de nødvendige lag numre MoS2 og WS2 lag. Dobbelt - eller multi-hetero-strukturer kan etableres ved at gentage den samme vækst procedure. Rækkefølgen af TMDs i de vertikale hetero-strukturer kan også ændres afhængigt af eksempelstruktur.

3. overførsel af Film og indretning fabrikation procedurer

  1. Filmen overføre procedure af 2D krystal film
    1. Spin coat tre dråber poly(methyl methacrylate) (PMMA) på TMD filmen til at dække hele filmen ved stuetemperatur. To-trins rotation hastigheder af hjulet er 500 rpm i 10 s og 800 rpm i 10 s. Efter hærdning ved 120 ° C i 5 min, er PMMA tykkelse ca 3 µm.
    2. PMMA/TMD/Sapphire prøven anbringes i en petriskål, som er fyldt med deioniseret vand (DI) vand.
    3. Skrælle hjørnet af PMMA/TMD film fra safir underlaget ved hjælp af pincetter i DI vand.
    4. Varme 250 mL 1 M KOH vandig opløsning (14 g KOH pellets blandet med 250 mL vand) i et bægerglas til 100 ° C. Flytte prøven i den opvarmede KOH vandig opløsning og fortsætte peeling PMMA/TMD filmen, indtil filmen er helt skrælles fra underlaget. Peeling kræver ca 1 min til at fuldføre.
    5. Bruge en separat safir substrat til at øse op PMMA/TMD film fra KOH løsning. Flytte filmen til et 250 mL bægerglas fyldt med Deioniseret vand til at vaske af restkoncentrationer KOH på filmen. På dette stadium er vedhæftning mellem PMMA/TMD filmen og safir substrat til scoop filmen svag. Derfor vil filmen de vedhæfte fra safir substratet efter fordybelse i DI vand.
    6. Gentag trin 3.1.4 - 3.1.5 tre gange ved hjælp af nye DI vand for at sikre, at de fleste af restkoncentrationer KOH er fjernet fra filmen.
      Bemærk: Vedhæftning mellem hvert TMD lag er meget stærkere end TMDs med safir substratet. Derfor, den samme indskydende procedure kan anvendes på enten individuelle MoS2/WS2 materialer eller deres hetero-strukturer. 2D krystal film vil være helt skrælles fra underlaget, som er magen til afskalning af MoS2/graphene hetero-strukturen diskuteret i en tidligere publikation18. Afhængigt af formålet om at overføre filmen, kan underlaget nævnt i dette trin enten være en safir substrat eller en SiO2/Si underlaget med prædeponeret elektroder, som beskrevet i trin 3.2. Andre substrater kan også bruges til dette formål.
  2. Fabrikation af 2D krystal transistorer.
    1. Brug standard fotolitografi til at definere elektrode mønstre på SiO2/Si substrater15,16,17. Source og drain elektroder lavet af 10 nm titanium (Ti) eller 100 nm guld (Au) er fremstillet på en 300 nm SiO2/p-type Si substrat.
    2. Fordyb SiO2/Si underlaget med pre mønstrede kilde/afløb elektroder i bægerglasset fyldes med Deioniseret vand og tillægger TMD side af PMMA/TMD film, som er udarbejdet i trin 3.1.
    3. Bage prøve ved 100 ° C i 3 min, når filmen er knyttet til SiO2/Si substrat, til at fjerne vand rester.
    4. Dryppe tre dråber af PMMA på prøve med PMMA/TMD filmen til at dække hele overfladen og gøre filmen mere solidt fastgjort til underlaget.
    5. Prøven anbringes i et elektronisk tør kabinet i mindst 8 timer før du flytter til det næste trin.
    6. Fylde to forskellige 250 mL bægerglas med acetone. Fordyb prøven fastgjort med PMMA/TMD filmen sekventielt i de to forskellige bægre fyldt med acetone til 50 og 10 min, henholdsvis, for at fjerne det øverste PMMA lag.
    7. Definere transistor kanal ved hjælp af standard foto-litografi og reaktiv-ion ætsning15,16,17. Back-gate MoS2 og WS2/MoS2 hetero-struktur transistorer er opdigtet15,16,17. Kanal længde og bredde af enhederne er 5 og 150 μm, henholdsvis.
    8. Bruge en to-kanalsystemet sourcemeter instrument til at måle de aktuelle spænding Karakteristik af transistorer15,16,17.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Raman spektret og tværsnits HRTEM billederne af individuelle MoS2 og WS2 opdigtet benytter sulfurization af prædeponeret overgangsmetaller er vist i figur 1a-b17, henholdsvis. To karakteristiske Raman toppe er observeret for både MoS2 og WS2, der svarer til i flyet Equation 1 og ud-af-flyet en1 g phonon vibrationer tilstande i 2D krystaller. Frekvensen forskellen Δk af to Raman toppe for MoS2 prøve er 24.1 cm-1, hvilket tyder på, at 4-5 lag af MoS2 blev opnået19. Det er imidlertid vanskeligt at bestemme den mulige lag antal direkte fra store Δk værdi 63.4 cm-1 WS217. Tværsnits HRTEM billederne af de to prøver, vist i figur 1 c-d, har afsløret, at 5 - og 4-lag MoS2 og WS2 er opnået for de to prøver, henholdsvis. Resultaterne har vist, at de2 film kan opnås gennem sulfurizing overgangsmetaller, store flader og ensartet MoS2 og WS.

Tværsnits HRTEM billedet af 1.0 nm Mo filmen sulfurized svovl mangelfuld betingelse er vist i figur 2a, hvori klynger dækket med par-lag 2D krystaller blev observeret. Disse resultater viste, at to vækst mekanismer blev observeret under sulfurization procedure15. Under svovl tilstrækkelig betingelse fandt svovl for ilt reaktioner sted hurtigt at plane MoS2 hele prøven i kort tid. Denne planar MoS2 film på prøveoverfladen kunne forhindre yderligere materiale migration således at en ensartet og lag-nummer-styrbar MoS2 film kunne opnås efter sulfurization proceduren. Men når prøven var sulfurized under svovl mangelfulde tilstand, baggrund svovl var ikke tilstrækkelige til at danne en komplet MoS2 film at Mo oxid segregation og sammensmeltning var den dominerende mekanisme i den tidlige vækst fase. I dette tilfælde ville kunne opnås en prøve med Mo oxid klynger er omfattet af par-lag MoS2 , efter sulfurization procedure15. Den skematisk diagram beskriver modellen for overgangen metal sulfurization er vist i figur 2b15. Da to vækst mekanismer blev observeret under sulfurization proceduren, var der en øvre grænse for MoS2 lag antallet med engangs vækst.

Ved hjælp af sekventielle metal aflejring med sulfurization procedurer diskuteret ovenfor, blev en WS2/MoS2 enkelt hetero-struktur udarbejdet efter to procedurer med overgangen metal deposition/sulfurization. Raman spectra og tværsnits HRTEM billedet i eksemplet er vist i figur 3a-b17. Udover de karakteristiske Raman toppe svarer til MoS2 og WS2, henholdsvis, identiske lag nummer 9 med summen af de individuelle 5 - og 4-lag MoS2 og WS2 tyder på, at prøven var en WS2/ MoS2 enkelt hetero-struktur. Efter tilsvarende vækst procedurer, en WS2/MoS2/WS2 dobbelt hetero-struktur blev udarbejdet efter tre procedurer med overgangen metal deposition/sulfurization. Raman spectra og tværsnits HRTEM billedet i eksemplet er vist i figur 3 c-d. Med en lignende observation af MoS2 og WS2 karakteristiske Raman toppe diskuteret ovenfor, blev kun tre lag af krystaller, 2D observeret for denne prøve. Disse resultater har afsløret, at (a) god lag nummer kontrollerbarhed ned til et enkelt lag var opnået for denne vækst teknik og (b) en lodret 2D krystal dobbelt hetero-struktur kan være etableret i tre atomare lag tykkelse16.

En anden prøve med halvt, der dækker overgangen metal deposition var parat til at vise muligheden for selektiv vækst ved hjælp af vækst teknik behandles i denne rapport. Af afskærmning halvdelen af safir bærematerialet under 1,0 nm Mo deposition, kunne halvdelen af substratet være dækket med MoS2 efter sulfurization. Efter, at var prøven roteret 90° med depositum W til at dække halvdelen af den safir substrat. Den samme sulfurization procedure blev udført igen. I dette tilfælde, blev fire regioner med (a) Tom safir substrat, b standalone MoS2, c WS2/MoS2 hetero-struktur og (d) standalone WS2 opnået inden for en enkelt safir substrat17. Billedet og Raman spektre af de fire forskellige områder på prøven er vist i figur 4. Som vist i figur, blev store flader og ensartet WS2 og MoS2 film og deres vertikale hetero-strukturer selektivt dyrket på den samme safir substrat. Disse resultater har anført, at udover etablering af lodrette hetero-strukturer, metoden vækst af overgangen metal sulfurization voksede selektivt 2D krystaller på substrater. Denne fleksibilitet kan give mere plads til praktisk enhed fabrications baseret på 2D materialer og deres hetero-strukturer.

For at sammenligne enhed ydeevne af transistorer med MoS2 og WS2/MoS2 lodrette hetero-struktur som enhed kanaler, to transistorer var fabrikeret efter fabrikation proceduren beskrevet i trin 3 i den protokol. Den skematisk diagram viser proceduren fabrikation er også vist i figur 5a. JegD-VGS kurver af enheder på VDS = 10 V er vist i figur 5b. Sammenlignet med MoS2 transistor, blev en betydelig afløb nuværende stigning observeret for enhedens hetero-struktur. Felt-effekten mobilitet værdierne af de to enheder med MoS2 og WS2/MoS2 hetero-struktur som kanaler udvundet af kurverne er 0,27 og 0.69 cm2/V·s, henholdsvis. Vores tidligere forudsigelse af elektron injektion fra WS2 MoS2 og højere elektron koncentration kanaler under termisk ligevægt kunne være ansvarlige for dette fænomen.

Efter den tynde Mo filmen deposition, var prøven flyttet ud af den spruttende kammer og udsat for luft. Da Mo film er meget tynd, det blev oxideret og dannet Mo oxider hurtigt under normale forhold. XPS kurve (X-ray photoelectron spektroskopi) af prøven før proceduren sulfurization er vist i figur 6a. Som vist i figur, var filmen sammensat af MoO2 og MoO3 før sulfurization proceduren. Disse resultater tyder på, at Mo film blev oxideret under den overdragende procedure fra den spruttende kammer til den varme ovn. Den andre dokumentation for dannelsen af 2D krystal hetero-struktur kan stamme fra den tilsvarende selektiv ætsning af 2D krystal hetero-struktur. Til dette formål, har vi påvist, at atomic ætsning kan opnås for både MoS2 og WS2 ved hjælp af energibesparende ilt plasma behandling20. Vi kan opnå tilsvarende selektiv ætsning lodret hetero-struktur ved at gentage den atomare lag ætsning procedure. Raman spektret af ætset og un-ætset 4-lags WS2/3-layer MoS2 lodrette hetero-struktur er vist i fig. 6b. Atomare lag ætsning gange var i overensstemmelse med lag antallet af WS2 (4 gange). Bemærkningerne fra både MoS2 og WS2 Raman toppe på regionen un-ætset, og MoS2 signaler kun på regionen ætset tyder på, at en lodret hetero-struktur blev etableret ved hjælp af vækst teknik drøftes i dette dokument.

Figure 1
Figur 1: Individuelle 2D krystaller af MoS2 og WS2. (a, b) Den Raman spectra og (c, d) den tværsnits HRTEM billeder af standalone MoS2 og WS2, henholdsvis17. Prøverne er fremstillet af sulfurizing 1,0 nm Mo og W film udarbejdet af en spruttende system. Som vist i Raman spektre, to karakteristiske Raman toppe blev observeret for både MoS2 og WS2, som svarede til i flyet Equation 2 og ud-af-flyet Equation 3 phonon vibrationer tilstande i 2D krystaller. Lag antal numre af MoS2 og WS2 dyrkes ved hjælp af metoden drøftet i det aktuelle manuskript var proportional med de spruttende gange prædeponeret Mo og W film. Bestemmelse af sputtering gange at få MoS2 og WS2 med kræves lag tal er baseret på tværsnits HRTEM billeder til prøver med forskellige spruttende gange. Men hvis prædeponeret Mo og W filmene er for tyk, Mo og W oxid adskillelse bliver den dominerende vækst mekanisme i stedet for planar MoS2 og WS2 film vækst. Proportionaliteten af lag numre med de spruttende gange var derfor begrænset til par-lag TMDs. Med MoS2 i det aktuelle manuskript vækstbetingelser vil lag numre være proportionalt med de spruttende gange når MoS2 film er færre end 10 lag. Den spruttende tid er 30 s for væksten af 5-lag MoS2. Dette tal er blevet ændret fra Wu et al. 17 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: vækstmodel af overgangen metal sulfurization. (en) de tværsnitsbaserede HRTEM billede af filmens 1,0 nm Mo sulfurized under svovl mangelfulde tilstand og (b) den skematiske diagram beskriver model for overgangen metal sulfurization15. Den prøve, der tilberedes med ingen svovl pulver placeret i ovnen vækstbetingelser kaldes svovl mangelfulde tilstand. Da der er altid rester svovl ophobning nær downstream vækst kammerets efter gentagne cykler, forventes det, at en lille mængde svovl vil stadig diffus til prøveoverfladen og resultere i MoS2 vækst. Dog vil ikke alle prædeponeret Mo under sådanne svovl mangelfulde forhold omdannes til MoS2. Dette tal er blevet ændret fra Wu al.15. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: MoS2/WS2 enkelt - og dobbelt-hetero-strukturer. Raman spectra og tværsnits HRTEM billeder af WS2/MoS2 (a, b) enkelt- og (c, d) hetero-strukturer16,17. Som vist i Raman spektret, i flyet Equation 2 og ud-af-flyet Equation 3 phonon vibrationer tilstande af både MoS2 og WS2 observeres for 2D krystal hetero-strukturer. Panelerne er blevet ændret fra Chen et al. og Wu et al. 16 , 17 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: selektiv vækst af 2D krystaller. Billedet og Raman spektre af fire regioner i den prøve, der tilberedes med halv, der dækker overgangen metal depositioner på en enkelt safir substrat17. Raman spektre i den (en) Tom safir substrat, (b) standalone MoS2, (c) WS2/MoS2 hetero-struktur og (d) standalone WS2 regioner af prøven viste karakteristiske Raman toppe. Dette tal er blevet ændret fra Wu et al. 17 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Enhed udførelsen af MoS2 og WS2/MoS2 lodrette hetero-struktur transistorer. (en) proceduren fabrikation af transistorer med MoS2 og WS2/MoS2 lodrette hetero-struktur som kanaler og (b) jegD-VGS kurver af de to enheder på VDS = 10 V 17. tykkelser af 1.0 nm for Mo og W film blev fremstillet af aflæsningerne af kvarts krystal resonator. De spruttende gange blev 30 s for begge materialer. Dette tal er blevet ændret fra Wu et al. 17 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: Oxidation af prædeponeret Mo film og den tilsvarende selektiv ætsning af WS2/MoS2 lodrette hetero-strukturer. (en) den XPS kurve af prøven med prædeponeret Mo filmen før sulfurization proceduren. Filmen er sammensat af MoO2 og MoO3 før sulfurization proceduren. Disse resultater tyder på, at Mo film blev oxideret under den overdragende procedure fra den spruttende kammer til den varme ovn. (b) den Raman spektre af ætset og un-ætset 4-lags WS2/3-layer MoS2 lodrette hetero-strukturen. Efter fire gange atomare lag raderinger, blev kun MoS2 toppe observeret på den ætsede region; Panelet B er blevet ændret fra Chen et al. 20 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Sammenlignet med konventionelle halvledermaterialer såsom Si og GaAs, ligger fordel af 2D materialer til enheden programmer i muligheden for enheden fabrikation med meget tynde organer til flere atomare lag. Hvornår Si industrien fremskridt i den < 10 nm teknologi node, høj aspekt forholdet mellem Si fin FET vil gøre enheden arkitektur uegnet til praktiske anvendelser. Således er 2D materialer opstået på grund af deres potentiale til at erstatte Si for elektronisk enhed applikationer.

Selv om den mest studerede 2D materiale, graphene, forventes at udstille høj mobilitet værdier, har dens nul bandgap karakter ført til ingen OFF tilstand for graphene transistorer. I dette tilfælde er andre 2D materialer såsom TMDs med synlige bandgap værdier kommet i betragtning. I dag er er den mest almindelige metode til at opnå store-området TMDs at bruge CVD teknik. Selv om denne vækst teknik giver store flader og ensartet TMD film, er valget af passende prækursorer og forskellige vækst temperaturer for forskellige TMDs ugunstig for udviklingen af komplicerede strukturer såsom 2D materiale hetero-strukturer. I dette tilfælde er sulfurization af overgangsmetaller som omtalt i dette papir blevet en lovende tilgang til etablering af TMD hetero-strukturer. Det er muligt at sulfurize forskellige TMDs lignende sulfurization betingelser.

Et vigtigt for væksten af 2D materialer er lag nummer kontrollerbarhed. Lag nummer kontrollerbarhed af filmens MoS2 udarbejdet af sulfurizing overgangsmetaller, som drøftes i dette dokument blev opnået ved at kontrollere prædeponeret Mo film tykkelser. Tykkelsen af Mo film var kontrolleret af den spruttende tid. For 30 s sputtering tid, Mo filmtykkelse var anslået til at være ~ 1 nm. Efter proceduren, sulfurization, bør fem lag af MoS2 opnås17. For 10 s sputtering tid, en mono-lag MoS2 bør opnås16.

De store begrænsning af denne vækst metode ligger i den maksimale lag numre med engangs sulfurization. Som omtalt i forrige afsnit, efter den tynde Mo filmen deposition, var prøven flyttet ud af den spruttende kammer og udsættes for luft. Da Mo film var meget tynd, det blev oxideret og dannet Mo oxider hurtigt under den omgivende tilstand. Derfor, hvis de prædeponeret Mo film er for tyk, planar MoS2 vil ikke være tilstrækkelige til at forhindre Mo oxid segregation under sulfurization proceduren, og en prøve med klynger af flere lag MoS2 dækker Mo nitrogenoxider vil være opnået. Med de vækstbetingelser, der fastlægges i dette papir, var det højeste MoS2 lag nummer omkring 10 med en engangs vækst cyklus.

For at overvinde denne ulempe, hvis en MoS2 film med et lag tal større end 10 er påkrævet, er det muligt at gentage den samme vækst procedure af metal deposition og sulfurization at opnå film med det nødvendige antal lag11. Sulfurization af prædeponeret overgangsmetaller har givet mulighed for skalerbar TMD film vækst med god lag nummer styrbarhed. Brug denne fremgangsmåde, er etablering af lodrette hetero-strukturer og selektiv vækst på safir substrater også blevet påvist. Vækst teknik drøftes i dette dokument markerer et vigtigt skridt mod den praktiske anvendelse af 2D krystaller. Med den forbedrede enhed udførelsen af 2D krystal hetero-strukturer, kan 2D materialer være en mulig kandidat til udvikling af nm-størrelse elektronisk enheder. I fremtiden arbejde, stabling 2D materialer til at skabe forskellige hetero-strukturer for at få forskellige optiske og elektriske egenskaber med individuelle materiale vil være et vigtigt emne for praktiske anvendelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet i en del af projekter mest 105-2221-E-001-011-MY3 og mest 105-2622-8-002-001 finansieret af Ministeriet for videnskab og teknologi, Taiwan, og i en del af fokuserede projektet finansieret af 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Moldt, T., et al. High-Yield Production and Transfer of Graphene Flakes Obtained by Anodic Bonding. ACS Nano. 5, 7700-7706 (2011).
  2. Choi, W., et al. High-Detectivity Multilayer MoS2 Phototransistors with Spectral Response from Ultraviolet to Infrared. Adv. Mater. 24, 5832-5836 (2012).
  3. Liu, H., Neal, A. T., Ye, P. D. Channel Length Scaling of MoS2 MOSFETs. ACS Nano. 6, 8563-8569 (2012).
  4. 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).
  5. Radisavljevic, B., Radenovic, A., Brivio, J., Giacometti, V., Kis, A. Single-layer MoS2 transistors. Nat. Nanotechnol. 6, 147-150 (2011).
  6. Lee, Y. H., et al. Synthesis of Large-Area MoS2 Atomic Layers with Chemical Vapor Deposition. Adv. Mater. 24, 2320-2325 (2012).
  7. 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).
  8. Ling, X., et al. Role of the Seeding Promoter in MoS2 Growth by Chemical Vapor Deposition. Nano Lett. 14, 464-472 (2014).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).

Tags

Engineering sag 129 lodret 2D krystal hetero-strukturer overgangen metal dichalcogenides sulfurization radio frekvens sputtering film overførsel transistorer
Forberedelse af store område lodret 2D Crystal Hetero-strukturer for gennem Sulfurization af overgangen Metal film for enheden fabrikation
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wu, C. R., Chu, T. W., Chen, K. C.,… More

Wu, C. R., Chu, T. W., Chen, K. C., Lin, S. Y. Preparation of Large-area Vertical 2D Crystal Hetero-structures Through the Sulfurization of Transition Metal Films for Device Fabrication. J. Vis. Exp. (129), e56494, doi:10.3791/56494 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter