Waiting
Login processing...

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

Engineering

Voorbereiding van groot-gebied verticale 2D Crystal Hetero-structuren door de Sulfurization van overgangsmetalen Films voor de fabricatie van apparaat

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

Via de sulfurization van eerder afgegeven overgangsmetalen, kunnen groot-gebied en verticale 2D hetero-kristalstructuren worden vervaardigd. De film overbrengen en apparaat fabricage procedures zijn ook aangetoond in dit verslag.

Abstract

We hebben aangetoond dat door het sulfurization van overgangsmetalen films zoals molybdeen (Mo) en wolfraam (W), groot-gebied en uniforme overgangsmetalen dichalcogenides (TMDs) Mnd2 en WS2 kan worden voorbereid op de saffier substraten. Door het beheersen van de metalen film diktes, kan goede laag aantal controleerbaarheid, tot één laag van TMDs, worden verkregen met behulp van deze techniek van de groei. Op basis van de resultaten van de Mo-film sulfurized onder de gebrekkige toestand van zwavel, zijn er twee mechanismen van (a) vlakke Mnd2 groei en (b) Mo oxide segregatie waargenomen tijdens de procedure sulfurization. Wanneer de achtergrond zwavel voldoende is, is vlakke TMD groei de dominante groei mechanisme, dat in een uniforme Mnd2 film na de sulfurization procedure resulteren zal. Als de achtergrond zwavel gebrekkig is, zullen Mo oxide segregatie de dominante groei mechanisme in het aanvankelijke stadium van de procedure sulfurization. In dit geval zal het monster met Mo oxide clusters bedekt met paar-laag Mnd2 worden verkregen. Nadat sequentiële Mo depositie/sulfurization en W depositie/sulfurization procedures, verticale WS2/MoS2 hetero-structuren worden geleverd met behulp van deze techniek van de groei. Raman pieken overeenkomt met WS2 en Mnd2, respectievelijk, en de identieke laag aantal de hetero-structuur met de sommatie van afzonderlijke 2D materialen hebben bevestigd dat de succesvolle invoering van het verticale 2D kristal hetero-structuur. Na het overbrengen van de WS2/MoS2 film op een SiO2/Si substraat met vooraf gedessineerde bron/afvoer elektroden, is een bodem-gate transistor vervaardigd. Vergeleken met de transistor met alleen Mnd2 kanalen, hebben de hogere afvoer stromingen van het apparaat met de WS2/MoS2 hetero-structuur tentoongesteld die met de introductie van 2D hetero-kristalstructuren, superieure apparaat prestaties kan worden verkregen. De resultaten is gebleken dat het potentieel van deze groei-techniek voor de praktische toepassing van 2D kristallen.

Introduction

Een van de meest voorkomende methoden voor 2D kristal films is met behulp van mechanische afschilfering van bulk materialen1,2,3,4,5. Hoewel 2D kristal films met kristallijn hoogwaardige kunnen gemakkelijk worden verkregen met behulp van deze methode, zijn schaalbare 2D kristal films niet beschikbaar via deze aanpak, die nadelig is voor de praktische toepassingen. Is gebleken in eerdere publicaties dat met behulp van chemical vapor deposition (CVD), groot-gebied en uniforme 2D kristal films bereid6,7,8,9 kunnen. Directe groei van grafeen op saffier substraten en layer-nummer-controleerbaar Mnd2 films voorbereid door het herhalen van het zelfde groeicyclus zijn ook aangetoond dat het gebruik van de CVD groei techniek10,11. In een recente publicatie gefabriceerd in-plane WSe2/MoS2 hetero-structuur vlokken ook zijn met behulp van de12van CVD groei techniek. Hoewel de CVD groei techniek alvast veelbelovend is bij het verstrekken van schaalbare 2D kristal films, is het belangrijkste nadeel van deze groei-techniek dat verschillende precursoren moeten worden gevonden voor verschillende 2D kristallen. De groei-omstandigheden verschillen ook tussen verschillende 2D kristallen. In dit geval zal de groei-procedures worden ingewikkelder wanneer de vraag toeneemt voor 2D hetero-kristalstructuren.

Vergeleken met de CVD groei techniek, heeft de sulfurization van eerder afgegeven overgangsmetalen films voorzien in een soortgelijke, maar veel eenvoudiger groei aanpak TMDS-13,14. Aangezien de groei procedure hiervoor alleen metalen afzetting en sulfurization volgt, is het mogelijk om te groeien verschillende TMDs via dezelfde groei procedures. Aan de andere kant, kan de laag aantal controleerbaarheid van de 2D kristallen ook worden bereikt door het veranderen van de eerder afgegeven overgangsmetalen diktes. In dit geval groei optimalisatie en laag nummer controle tot één laag zijn vereist voor verschillende TMDs. begrip van de mechanismen van de groei is ook zeer belangrijk voor de oprichting van ingewikkelde TMD hetero-structuren met behulp van deze methode.

In dit papier en Mnd2 , WS2 zijn films opgesteld onder soortgelijke procedures van de groei van de metalen afzetting, gevolgd door de procedure sulfurization. Met de resultaten van de sulfurization van Mo films onder zwavel voldoende en gebrekkige omstandigheden, worden twee groei mechanismen waargenomen tijdens de procedure sulfurization15. Onder de voldoende voorwaarde van zwavel, kan een uniform en layer-nummer-controleerbaar Mnd2 film worden verkregen nadat de procedure is sulfurization. Wanneer het monster is sulfurized onder de gebrekkige toestand van zwavel, volstaat de achtergrond zwavel niet om te vormen van een complete Mnd2 film zodanig dat de Mo oxide segregatie en samenvoeging zal de dominante mechanisme in de vroege groei fase. Een monster met Mo oxide clusters paar lagen van Mnd2 vallende zal verkregen worden na de sulfurization procedure15. Door middel van opeenvolgende metalen afzetting en volgende sulfurization procedures, kan WS2/MoS2 verticale hetero-structuren met laag aantal controleerbaarheid tot één laag worden voorbereid15,16. Met deze techniek kan een monster is verkregen op een enkele saffier substraat met vier regio's: (I) leeg saffier substraat, (II) standalone Mnd2, (III) WS2/MoS2 hetero-structuur en (IV) standalone WS217 . De resultaten tonen aan dat de groei-techniek gunstig voor de oprichting van verticale 2D hetero-kristalstructuur is en selectieve groei staat is. De prestaties van de verbeterde apparaat van 2D hetero-kristalstructuren markeert de eerste stap naar praktische toepassingen voor 2D kristallen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. groei van individuele 2D materiaal (Mnd2 en WS-2)

  1. Overgangsmetalen afzetting met behulp van een RF systeem sputteren
    1. Een schone 2 x 2 cm2 saffier substraat wordt geplaatst op de monsterhouder met de gepolijste zijde naar de doelstellingen van het sputteren systeem voor de overgangsmetalen afzetting. Saffier substraten zijn gekozen vanwege de sapphire chemische stabiliteit bij hoge temperaturen en atomaire-vlakke oppervlakken.
    2. Pomp beneden het sputteren kamer naar 3 x 10-6 torr sequentieel gebruik van een mechanische pomp gevolgd door een diffusie-pomp.
    3. Het Ar-gas injecteren in het sputteren systeem en houd de gasstroom bij 40 mL/min met behulp van een massale Stroomregelaar (MFC).
    4. Kamer druk blijven uitoefenen op 5 x 10-2 torr met behulp van een manuele druk regelventiel en ontbranden van de Ar-plasma. Houd het vermogen op 40 W.
    5. Verlaag de kamer druk 5 x 10-3 torr met behulp van een handmatige wiel hoek popje ventiel.
    6. Handmatig open de sluiter tussen de saffier substraat en de metalen doelstelling van 2-inch en start de metalen afzetting. Tijdens de procedure van de depositie, houden de sputteren macht op 40 W voor zowel Mo en W. De druk van de achtergrond wordt gehouden op 5 × 10-3 torr met 40 mL/min Ar gasstroom.
    7. Controle van het sputteren tijd te deponeren van overgangsmetalen films met verschillende diktes. Als gevolg van de dunne metalen dikte krijgt sputteren keer betere controle over de laagdikte dan de lezingen van de resonator kwartskristal.
      Opmerking: De laag aantal Mnd2 en WS2 gegroeid met behulp van de methode die in het huidige manuscript besproken zijn evenredig met het sputteren tijden van de eerder afgegeven Mo en W films. De bepaling van het sputteren tijden te verkrijgen Mnd2 en WS2 met vereist laag nummers is gebaseerd op de transversale high-resolution transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) afbeeldingen voor monsters met een sputteren onverpakt. Echter, als de eerder afgegeven Mo en W films te dik zijn, Mo en W oxide segregatie wordt het dominante groei mechanisme, in plaats van vlakke Mnd2 en WS2 film groei. Daarom, de proportionaliteit van laag getallen met de sputteren tijden is beperkt tot enkele-laag TMDs. Met de toestand van de groei van MoS,2 in het huidige manuscript zullen de getallen van laag evenredig aan het sputteren momenten waarop de Mnd2 film minder dan 10 lagen is. Het sputteren tijd is 30 s voor de groei van 5-laags Mnd2.
  2. De sulfurization van de film van overgangsmetalen
    1. Plaats de saffier substraten met eerder afgegeven overgangsmetalen films in het midden van een warme oven voor sulfurization.
    2. Plaats het zwavel (S) poeder stroomopwaarts van de gasstroom, 2 cm buiten de verwarmingszone van de oven. In deze positie, zal de verdamping temperatuur voor het poeder S 120 ° C zijn wanneer de temperatuur van het substraat tot 800 ° C. stijgt Nauwkeurig bepalen het gewicht van de poeder S voor verschillende overgangsmetalen voor sulfurization. In het werk is het gewicht van de poeder S 1,5 g voor Mo en 1,0 g voor W.
      Opmerking: We bepalen zwavel poeder bedragen voor de bereiding van Mnd2 en WS2 films gebaseerd op de resultaten voor elk materiaal dat is opgesteld op basis van verschillende hoeveelheden zwavel poeder.
    3. Houd de oven druk op 0.7 torr. Tijdens de procedure sulfurization, werd 130 mL/min Ar gas gebruikt als draaggas.
    4. De temperatuur van de oven van kamertemperatuur tot 800 ° C in 40 minuten met een ramping tarief van de temperatuur van 20 ° C/min. helling houden de temperatuur bij 800 ° C tot het zwavel poeder volledig is verdampt. Daarna is de kracht van de kachel te verlagen van de temperatuur van de oven uitgeschakeld. Het duurt ongeveer 30 tot 40 minuten voor de oven tot kamertemperatuur van 800 ° C.
  3. Raman spectrum metingen met behulp van een 488 nm laser15,16,17uit te voeren. De transversale beelden van de HRTEM om te controleren of de nummers van de laag van de 2D kristallen15,16,17te verkrijgen.

2. de groei van de WS2/MoS2 verticale Single Hetero-structuur

Opmerking: Deze sectie wordt gebruikt om te maken een enkele hetero-structuur die bestaat uit een saffier laag met 5 lagen van Mnd2 en 4 lagen WS,2.

  1. Volg dezelfde procedure als stap 1.1. Storten van de Mo-film op de saffier substraat met behulp van de RF-systeem met een 30 sputteren s tijd sputteren.
  2. Sulfurize van de film van de Mo na dezelfde sulfurization procedures zoals stap 1.2 voor de groei van MoS2. Vijf lagen van Mnd2 zal worden verkregen na het sulfurization procedure.
  3. Volg dezelfde procedures als stap 1.1. Storten van de W-film op de Mnd2/saffier substraat met behulp van de RF-systeem met een 30 sputteren s tijd sputteren.
  4. Sulfurize de W film volgens dezelfde procedure voor stap 1.2 voor de groei van WS2sulfurization. Vier lagen van WS2 zal worden verkregen op de top van de Mnd2 na de ingreep sulfurization.
    Opmerking: De metalen afzetting en sulfurization procedure is hetzelfde als de individuele materiaal. Het sputteren tijden van de Mo en W films worden bepaald afhankelijk van het vereiste laag aantal Mnd2 en WS2 lagen. Double - of multi-hetero-structuren kan worden vastgesteld door het dezelfde groei procédé. De volgorde van de TMDs in de verticale hetero-structuren kan ook afhankelijk van de structuur van de steekproef worden gewijzigd.

3. de overdracht van de Film en het apparaat Fabrication Procedures

  1. De overdracht van de procedure van de 2D kristal films film
    1. Spin coat drie druppels poly(methyl methacrylate) (PMMA) op de TMD film ter dekking van de hele film bij kamertemperatuur. De snelheden van de rotatie van de twee fasen van het kringveld zijn 500 rpm voor 10 s en 800 rpm voor 10 s. Na uitharding bij 120 ° C gedurende 5 minuten is de PMMA-dikte ongeveer 3 µm.
    2. Leg het PMMA/TMD/Sapphire monster in een petrischaal die is gevuld met gedeïoniseerd water (DI).
    3. Een van de hoeken van de PMMA/TMD-film van de saffier substraat met pincet in DI water afschilferen.
    4. Verwarm 250 mL van 1 M KOH waterige oplossing (14 g KOH pellets gemengd met 250 mL water) in een bekerglas van 100 ° c. Verplaatsen van het monster in de verwarmde KOH waterige oplossing en blijven de PMMA/TMD film peeling totdat de film wordt volledig gepeld af van het substraat. Peeling vereist ongeveer 1 minuut te voltooien.
    5. Gebruik een aparte saffier substraat om opscheppen de PMMA/TMD-film van de KOH-oplossing. De film naar een 250 mL-bekerglas gevuld met DI water om te afwassen residu KOH op de film verplaatsen In dit stadium is de hechting tussen de PMMA/TMD-film en de saffier substraat te schep de film zwak. Daarom zal de film-hechten van de saffier substraat na onderdompeling in het DI-water.
    6. Herhaal stap 3.1.4 - 3.1.5 driemaal met behulp van nieuwe DI water moet ervoor zorgen dat het grootste deel van het residu KOH wordt verwijderd uit de film.
      Opmerking: De hechting tussen elke TMD laag is veel sterker dan TMDs met een sapphire substraat. Daarom kan dezelfde inbrengende procedure worden toegepast op afzonderlijke Mnd2/WS2 materialen of hun hetero-structuren. De 2D kristal films zal worden volledig geschild af van het substraat, dat is vergelijkbaar met de peeling van de Mnd2/graphene hetero-structuur besproken in een eerdere publicatie18. Afhankelijk van het doel van de overdracht van de film, kan het substraat genoemd in deze stap een saffier substraat of een SiO2/Si substraat met eerder afgegeven elektroden, zoals beschreven in stap 3.2. Andere substraten kunnen ook worden gebruikt voor dit doel.
  2. De fabricage van 2D kristal transistoren.
    1. Gebruik standaard fotolithografie elektrode patronen van SiO2/Si substraten15,16,17te definiëren. Bron- en afvoer elektroden gemaakt van 10 nm titanium (Ti) of 100 nm goud (Au) zijn vervaardigd op een 300 nm SiO2/p-type Si substraat.
    2. Dompel de SiO2/Si substraat met vooraf patroon bron/afvoer elektroden af in het bekerglas gevuld met DI water en voegt u aan de TMD-kant van de film PMMA/TMD zoals voorbereid in stap 3.1.
    3. Bak het monster bij 100 ° C gedurende 3 minuten, nadat de film is vastgemaakt aan het SiO2/Si substraat, water residu te verwijderen.
    4. Druppelen drie druppels van PMMA op het monster met de PMMA/TMD film te dekken het hele oppervlak en maken de film meer stevig op de ondergrond.
    5. Leg het monster in een elektronische droge kabinet gedurende ten minste 8 uur voordat u naar de volgende stap.
    6. Vul twee verschillende 250 mL Bekerglazen met aceton. Dompel het monster bevestigd met de PMMA/TMD film achter elkaar in de twee verschillende bekerglazen gevuld met aceton voor 50 en 10 min, respectievelijk, schakel de PMMA toplaag.
    7. Definieer de transistor-kanaal met behulp van standaard foto-lithografie en reactieve-ion etching15,16,17. Rug-gate Mnd2 en WS2/MoS2 hetero-structuur transistors zijn verzonnen15,16,17. De kanaal lengte en breedte van de apparaten zijn 5 en 150 μm, respectievelijk.
    8. Gebruik een tweekanaals systeem sourcemeter instrument voor het meten van de stroom-spanning-eigenschappen van de transistors15,16,17.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Het spectrum Raman en de transversale HRTEM beelden van individuele Mnd2 en WS2 vervaardigd met behulp van de sulfurization van eerder afgegeven overgangsmetalen zijn weergegeven in Figuur 1a-b17, respectievelijk. Twee karakteristieke Raman pieken worden waargenomen voor zowel Mnd2 en WS2, die overeenkomen met in-plane Equation 1 en uit-van-plane een1 g phonon trillingen modi in de 2D kristallen. Het frequentie verschil Δk van twee Raman bergtoppen voor het monster van de2 Mnd is 24.1 cm-1, waarin wordt voorgesteld dat de 4-5 Mnd,2 lagen19was verkregen. Het is echter moeilijk om te bepalen van de mogelijke laag aantal rechtstreeks vanuit de grote Δk waarde 63.4 cm-1 WS217. De transversale HRTEM beelden van de twee monsters, getoond in Figuur 1 c-d, is gebleken dat de 5 - en 4-layer Mnd2 en WS2 voor de twee monsters, respectievelijk worden verkregen. De resultaten hebben aangetoond dat door het sulfurizing van de overgangsmetalen en grote terrein en uniforme Mnd2 , WS2 films kunnen worden verkregen.

De transversale HRTEM afbeelding van de 1.0 nm Mo film sulfurized onder de gebrekkige toestand van zwavel wordt getoond in Figuur 2a, waarin clusters bedekt met paar-laag 2D kristallen werden waargenomen. Deze resultaten aangegeven dat twee groei mechanismen werden waargenomen tijdens de procedure sulfurization15. Onder de voldoende voorwaarde van zwavel plaatsvond zwavel-voor-oxygen reacties snel zodanig dat vlakke Mnd2 het gehele monster in een korte tijd overdekte. Deze vlakke Mnd2 film op het oppervlak van het monster kan voorkomen verdere materiële migratie zodanig zijn dat een uniforme en layer-nummer-controleerbaar Mnd2 film kon worden verkregen na het sulfurization procedure. Echter, wanneer het monster was sulfurized onder de gebrekkige toestand van zwavel, de achtergrond zwavel was niet voldoende zijn om een volledige Mnd2 film vormen, zodanig dat de Mo oxide segregatie en samenvoeging was de dominante mechanisme in de vroege groei fase. In dit geval zou een monster met Mo oxide clusters paar-laag Mnd2 vallende verkregen worden na de sulfurization procedure15. Het schema beschrijven het model van de overgangsmetalen sulfurization is afgebeeld in Figuur 2b15. Aangezien twee groei mechanismen werden waargenomen tijdens de procedure sulfurization, was er een bovengrens voor het aantal Mnd2 laag met eenmalige groei.

Sequentiële metalen afzetting met sulfurization procedures hierboven besproken, was een WS2/MoS2 single hetero-structuur bereid na twee procedures van overgangsmetalen depositie/sulfurization. De Raman spectra en het transversale HRTEM beeld van het monster worden weergegeven in Figuur 3a-b17. Naast het kenmerk Raman pieken overeenkomende Mnd2 en WS2, respectievelijk, de identieke laag nummer 9 met de sommatie van de individuele 5 - en 4-layer Mnd2 en WS2 suggereert dat het monster een WS2 was/ Mnd2 single hetero-structuur. Na soortgelijke groei procedures, een WS2/MoS2/WS2 dubbele hetero-structuur werd opgesteld na drie procedures van overgangsmetalen depositie/sulfurization. De Raman spectra en het transversale HRTEM beeld van het monster worden weergegeven in Figuur 3 c-d. Met een soortgelijke constatering van Mnd2 en WS2 die karakteristiek Raman pieken hierboven besproken, werden slechts drie lagen van 2D kristallen waargenomen voor dit voorbeeld. Deze resultaten is gebleken dat (a) goede laag aantal controleerbaarheid tot één laag voor deze groei-techniek en (b) een verticale 2D kristal dubbele hetero-structuur kan worden vastgesteld in drie atomische laag dikte16was verkregen.

Een ander monster met half-bedekking overgangsmetalen afzetting was bereid om te laten zien van de mogelijkheid van selectieve groei met behulp van de techniek van de groei in dit verslag besproken. Door de afscherming van de helft van de saffier substraat tijdens de 1.0 nm Mo afzetting, kunnen de helft van het substraat worden bedekt met Mnd2 na sulfurization. Daarna was het monster 90° tot storting W ter dekking van de helft van de saffier substraat gedraaid. Dezelfde sulfurization procedure werd opnieuw uitgevoerd. In dit geval, werden vier regio's met (a) leeg saffier substraat, (b) standalone Mnd2, (c) WS2/MoS2 hetero-structuur en (d) standalone WS2 verkregen binnen een enkele saffier substraat17. Het beeld en de Raman spectra van de vier verschillende regio's van de steekproef worden weergegeven in Figuur 4. Zoals in de afbeelding, zijn groot-gebied en uniforme WS2 en Mnd2 films en hun verticale hetero-structuren selectief geteeld op de dezelfde saffier substraat. Deze resultaten hebben aangegeven dat naast het opzetten van verticale hetero-structuren, de methode van de groei van overgangsmetalen sulfurization selectief 2D kristallen op substraten groeide. Deze flexibiliteit kan meer ruimte geven tot praktische apparaat verzinsels gebaseerd op 2D materialen en hun hetero-structuren.

Om te vergelijken van de Apparaatprestaties van de transistors met de MoS-2 en de WS2/MoS2 verticale hetero-structuur als apparaat kanalen, twee transistoren zijn vervaardigd volgens de procedure van de fabricage beschreven in stap 3 van de Protocol. De schematische diagram waarop de fabricage-procedure wordt ook weergegeven in figuur 5a. De ID-VGS curven van de apparaten op VDS = 10 V staan in Figuur 5b. Vergeleken met de Mnd2 transistor, werd een aanzienlijke afvoer huidige toename waargenomen voor het apparaat hetero-structuur. De waarden van de mobiliteit van de veld-effect van de twee apparaten met Mnd2 en WS2/MoS2 hetero-structuur als de kanalen geëxtraheerd uit de bochten zijn 0.27 en 0,69 cm2/V·s, respectievelijk. Onze eerdere voorspelling van elektron injectie van WS2 Mnd2 en van de hogere kanalen van de concentratie van de elektron onder thermisch evenwicht zou kunnen zijn verantwoordelijk voor dit fenomeen.

Na de dunne afzetting van Mo film, was het monster uit de sputteren kamer verplaatst en blootgesteld aan lucht. Aangezien de Mo-film erg dun is, het was geoxideerd en Mo stikstofoxiden snel onder omgevingsomstandigheden gevormd. De XPS-curve (X-ray photoelectron spectroscopy) van het monster voordat de procedure sulfurization is getoond in Figuur 6a. Zoals in de afbeelding, was de film samengesteld uit MoO2 en MoO3 voordat de sulfurization procedure. Deze resultaten suggereren dat de Mo-film was geoxideerd tijdens de overdragende procedure de sputteren zaal uit de hete oven. De andere bewijsstukken voor de vorming van de 2D hetero-kristalstructuur afkomstig kan zijn van de gelijkwaardige selectieve etsen van de 2D hetero-kristalstructuur. Voor dit doel, hebben wij aangetoond dat atoom etsen voor zowel Mnd2 en WS2 met behulp van zuurstof van de spaarstand plasma behandeling20kan worden bereikt. Gelijkwaardige selectieve etsen aan de verticale hetero-structuur kunnen we bereiken door het herhalen van de atomaire laag etsen van de procedure. De Raman-spectrum van de geëtste en un-geëtste 4-layer WS2/3-layer Mnd2 verticale hetero-structuur worden weergegeven in Figuur 6b. De atomaire laag etsen tijden waren consistent met de laag aantal WS2 (4 keer). De opmerkingen van zowel Mnd2 en WS2 Raman pieken op de VN-geëtste regio, en MoS2 signalen alleen op de geëtste regio, suggereren dat een verticale hetero-structuur opgezet met behulp van de techniek van de groei in dit Groenboek besproken.

Figure 1
Figuur 1: Afzonderlijke 2D kristallen van Mnd2 en WS2. (a, b) De Raman spectra en (c, d) de transversale HRTEM beelden van standalone Mnd2 WS2, respectievelijk17. De monsters worden verkregen door sulfurizing 1.0 nm Mo en W films bereid door een sputteren systeem. Zoals blijkt uit de Raman spectra, twee karakteristieke Raman pieken werden waargenomen voor zowel Mnd2 en WS2, die overeenkwam met in-plane Equation 2 en uit-van-plane Equation 3 phonon trillingen modi in de 2D kristallen. De laag nummer nummers van Mnd2 en WS2 gegroeid met behulp van de methode die in het huidige manuscript besproken waren evenredig aan het sputteren tijden van de eerder afgegeven Mo en W films. De bepaling van het sputteren tijden te verkrijgen Mnd2 en WS2 met vereist laag nummers is gebaseerd op de transversale HRTEM beelden voor monsters met een sputteren onverpakt. Echter, als de eerder afgegeven Mo en W films te dik zijn, Mo en W oxide segregatie wordt het dominante groei mechanisme in plaats van de vlakke Mnd2 en WS2 film groei. Daarom, de proportionaliteit van laag getallen met de sputteren tijden was beperkt tot enkele-laag TMDs. Met de voorwaarden van de groei van MoS,2 in het huidige manuscript zullen de getallen van laag evenredig aan het sputteren momenten waarop de Mnd2 film minder dan 10 lagen is. Het sputteren tijd is 30 s voor de groei van 5-laags Mnd2. Dit cijfer is gewijzigd van Wu et al. 17 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: het groeimodel van overgangsmetalen sulfurization. (een) de transversale HRTEM beeld van de 1.0 nm Mo film sulfurized onder de gebrekkige toestand van de zwavel en (b) het schematische diagram met een beschrijving van het model voor de overgangsmetalen sulfurization15. De voorwaarden van de groei van het monster dat is bereid met geen zwavel poeder in de oven geplaatst wordt de zwavel ontoereikende voorwaarde genoemd. Want er is altijd een residu zwavel accumulatie in de buurt van de downstream van de groei-kamer na herhalende cycli van de groei, verwacht wordt dat er nog steeds een kleine hoeveelheid zwavel zal naar de oppervlakte van het monster verspreiden en in Mnd2 groei resulteren. Echter onder dergelijke omstandigheden tekort zwavel zal niet alle eerder afgegeven Mo worden omgezet in Mnd2. Dit cijfer is gewijzigd van Wu et al.15. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: Mnd2/WS2 single - en double-hetero-structuren. De Raman spectra en de cross-sectionele HRTEM beelden van WS2/MoS2 (a, b) single- en (c, d) hetero-structuren16,17. Zoals in de Raman-spectrum, het in-plane Equation 2 en uit-van-plane Equation 3 phonon trillingen modi van zowel Mnd2 en WS2 in acht worden genomen voor de 2D hetero-kristalstructuren. De panelen zijn gewijzigd van Chen et al. en Wu et al. 16 , 17 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: selectieve groei van 2D kristallen. De afbeelding en de Raman spectra van vier regio's van het monster dat is bereid met half-bedekking overgangsmetalen afzettingen op een enkele saffier substraat17. Raman spectra in het (een) leeg saffier substraat, (b) standalone Mnd2, (c) WS2/MoS2 hetero-structuur en (d) standalone WS2 -regio's van het monster geopenbaard Karakteristiek Raman pieken. Dit cijfer is gewijzigd van Wu et al. 17 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5: De Apparaatprestaties van MoS2 en WS2/MoS2 verticale hetero-structuur-transistors. (een) de procedure van de fabricage van de transistors met de MoS-2 en de WS2/MoS2 verticale hetero-structuur als de kanalen en (b) de ID-VGS curven van de twee apparaten op VDS = 10 V 17. de diktes van 1.0 nm voor Mo en W films werden verkregen uit de lezingen van de resonator kwartskristal. Het sputteren tijden waren 30 s voor beide materialen. Dit cijfer is gewijzigd van Wu et al. 17 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6: De oxidatie van eerder afgegeven Mo films en de gelijkwaardige selectieve etsen van WS2/MoS2 verticale hetero-structuren. (een) het XPS curve van het monster met de eerder afgegeven Mo film vóór de sulfurization procedure. De film is samengesteld uit MoO2 en MoO3 voordat de sulfurization procedure. Deze resultaten suggereren dat de Mo-film was geoxideerd tijdens de overdragende procedure de sputteren zaal uit de hete oven. (b) de Raman spectra van de geëtste en un-geëtste 4-layer WS2/3-layer Mnd2 verticale hetero-structuur. Na vier tijden van atomaire laag etsen, werden alleen Mnd2 pieken waargenomen op de geëtste regio; Deelvenster B is gewijzigd van Chen et al. 20 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vergeleken met conventionele halfgeleidermaterialen zoals Si en GaAs, ligt het voordeel van 2D materiaal voor apparaat toepassingen in de mogelijkheid van apparaat fabricage met zeer dunne organen tot verschillende atomaire lagen. Wanneer de industrie Si voorschotten in de < 10 nm technologie knooppunt, de hoge hoogte-breedteverhouding van Si fin FET zal de architectuur ongeschikt maken voor praktische toepassingen. Dus 2D materiaal naar voren zijn gekomen als gevolg van hun potentieel ter vervanging van Si voor elektronisch apparaat toepassingen.

Hoewel de meest bestudeerde 2D materiaal, grafeen, naar verwachting om hoge mobiliteit waarden tentoon te stellen, heeft het nul karakter van de bandgap geleid tot geen OFF staat voor de grafeen-transistors. In dit geval hebben andere 2D materialen zoals TMDs met zichtbare bandgap waarden komen in aanmerking. Tegenwoordig is de meest voorkomende benadering van groot-gebied TMDs verkrijgen om de CVD-techniek te gebruiken. Hoewel deze groei-techniek grote terrein en uniforme TMD films levert, is de keuze van de juiste precursoren en verschillende groei temperaturen voor verschillende TMDs nadelig voor de ontwikkeling van ingewikkelde structuren zoals 2D materiaal hetero-structuren. De sulfurization van overgangsmetalen, zoals in dit Groenboek besproken geworden in dit geval een veelbelovende aanpak voor het opzetten van TMD hetero-structuren. Het is mogelijk om verschillende TMDs onder vergelijkbare omstandigheden van de sulfurization sulfurize.

Een belangrijke kwestie voor de groei van 2D materialen is de laag aantal controleerbaarheid. De laag aantal controleerbaarheid van de Mnd2 film bereid door sulfurizing overgangsmetalen, zoals in dit Groenboek besproken werd bereikt door het beheersen van de eerder afgegeven Mo film diktes. De dikte van de Mo-film werd gecontroleerd door de sputteren tijd. In het geval van 30 s sputteren tijd, de laagdikte Mo werd geschat op ~ 1 nm. Nadat de procedure sulfurization, moeten vijf lagen van Mnd2 17worden verkregen. In het geval van 10 s sputteren tijd, een mono-laag Mnd2 16moet worden verkregen.

De belangrijkste beperking van deze groei-methode ligt in de maximale laag getallen met eenmalige sulfurization. Zoals besproken in de vorige sectie, na de afzetting van dunne Mo-film was het monster uit de sputteren kamer verplaatst en blootgesteld aan de lucht. Aangezien de Mo-film erg dun was, het was geoxideerd en Mo stikstofoxiden snel onder de ambient voorwaarde gevormd. Daarom, als de eerder afgegeven Mo-film te dik is, de vlakke Mnd2 niet zullen volstaan om te voorkomen dat Mo oxide segregatie tijdens de procedure sulfurization, en een monster met clusters van multi-layer Mnd2 voor Mo stikstofoxiden zal worden verkregen. Met de groei-voorwaarden die in dit document, was het hoogste Mnd2 laag aantal ongeveer 10 met een eenmalige groei cyclus.

Om te overwinnen dit nadeel, als een film2 Mnd met een laag getal groter dan 10 vereist is, is het mogelijk om te herhalen dezelfde groei procedure van metalen afzetting en sulfurization te verkrijgen van de film met het vereiste aantal lagen11. De sulfurization van eerder afgegeven overgangsmetalen heeft de mogelijkheid om schaalbare TMD film groei voorzien van goede laag aantal controleerbaarheid. Met behulp van deze aanpak, is de oprichting van verticale hetero-structuren en selectieve groei van sapphire substraten ook aangetoond. De techniek van de groei in dit Groenboek besproken markeert een belangrijke stap naar de praktische toepassing van 2D kristallen. Met de verbeterde Apparaatprestaties van 2D hetero-kristalstructuren, kunnen 2D materialen worden een mogelijke kandidaat voor de ontwikkeling van elektronische apparaten nm-en kleinbedrijf. In de toekomst werk, stapelen 2D materiaal om diverse hetero-structuren voor de verschillende optische en elektrische eigenschappen met individuele materiaal zullen een belangrijke kwestie voor praktische toepassingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door projecten meest 105-2221-E-001-011-MY3 en meest 105-2622-8-002-001 gefinancierd door het ministerie van wetenschap en technologie, Taiwan, en gedeeltelijk door de gerichte project gefinancierd door het Research Center voor toegepaste wetenschappen, 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 kwestie 129 verticale 2D hetero-kristalstructuren overgang metalen dichalcogenides sulfurization radio frequentie sputteren film overbrengen transistoren
Voorbereiding van groot-gebied verticale 2D Crystal Hetero-structuren door de Sulfurization van overgangsmetalen Films voor de fabricatie van apparaat
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