Summary
דרך sulfurization של מתכות המעבר מראש הופקדו, קריסטל 2D שטח גדול ואנכי הטרו-מבנים יכול להיות מפוברק. הסרט העברת ונהלים ייצור המכשיר מודגמות גם בדו ח זה.
Abstract
אנחנו הדגימו כי דרך sulfurization של מתכות מעבר סרטים כמו מוליבדן (מו) ו טונגסטן (W), שטח גדול אחיד מתכות מעבר dichalcogenides (TMDs) MoS2 , WS2 ניתן להכין על מצעים ספיר. על ידי שליטה על סרט מתכת בעוביים, בקירות וצפיות מספר טוב שכבה, עד שכבה אחת של TMDs, ניתן להשיג בעזרת טכניקה זו הצמיחה. על סמך התוצאות המתקבלות מהסרט מו sulfurized בתנאי חסר גופרית, ישנם שני מנגנונים של צמיחה2 MoS מישורי (א) ו- (ב) מו תחמוצת סגרגציה נצפתה במהלך ההליך sulfurization. כאשר הגפרית רקע מספיקה, מישורי TMD הצמיחה היא מנגנון הצמיחה הדומיננטי, אשר תגרום בסרט2 של מוס אחיד לאחר ההליך sulfurization. אם הגפרית רקע שבפיהם, מו תחמוצת סגרגציה יהיה מנגנון הצמיחה הדומיננטי בשלב ההתחלתי של ההליך sulfurization. במקרה זה, ניתן להשיג את הדגימה עם מו תחמוצת אשכולות מכוסה עם כמה שכבת מוס2 . לאחר התצהיר מו רציפים/sulfurization ונהלים W התצהיר/sulfurization, אנכי WS2/MoS2 הטרו-מבנים נוצרים בעזרת טכניקה זו הצמיחה. פסגות ראמאן המתאים WS2 ו- MoS2, בהתאמה ומספר זהה שכבה של הטרו-המבנה עם הסיכום של חומרים 2D בודדים אישרו הקמת מוצלחת קריסטל 2D אנכי הטרו-מבנה. לאחר העברת WS2/MoS2 סרט על גבי מצע /Si2SiO עם אלקטרודות מראש עם תבנית מקור/ניקוז, טרנזיסטור התחתון-שער מפוברק. לעומת ה טרנזיסטור עם רק MoS2 ערוצים, הזרמים ניקוז גבוהה יותר של המכשיר עם WS2/MoS2 הטרו-מבנה שכישוריי כי עם כניסתה של קריסטל 2D הטרו-מבנים, מכשיר מעולה ניתן להשיג ביצועים. התוצאות חשפו את הפוטנציאל של טכניקה זו צמיחה עבור היישום המעשי של 2D הקריסטלים.
Introduction
אחת הגישות הנפוצות להשיג קריסטל 2D סרטים היא באמצעות קילוף מכני בצובר חומרים1,2,3,4,5. למרות קריסטל 2D סרטים עם גבישי באיכות גבוהה ניתן להשיג בקלות באמצעות שיטה זו, קריסטל 2D מדרגי הסרטים אינם זמינים דרך גישה זו, המהווה חסרון עבור יישומים מעשיים. זה הוכח בפרסומים קודמים כי שימוש בתצהיר אדים כימיים (CVD), קריסטל 2D שטח גדול ואחידה הסרטים יכולים להיות מוכן6,-7,-8,-9. הצמיחה ישירה של גראפן על מצעים ספיר, שכבה-מספר-לשליטה MoS2 סרטים שהוכנו על ידי חוזר מחזור הצמיחה באותו הם גם הפגינו באמצעות10,11טכניקה צמיחה CVD. בפרסום זה התבצעה אחת, בתוך מטוס WSe2/MoS2 הטרו-מבנה פתיתי הם גם מפוברק באמצעות טכניקה צמיחה12CVD. הטכניקה צמיחה CVD אמנם מבטיח במתן קריסטל 2D מדרגי סרטים, החיסרון העיקרי של טכניקה זו הצמיחה הוא שיש סימנים מקדימים שונים להיות ממוקם על 2D הקריסטלים השונים. התנאים צמיחה גם להשתנות בין 2D הקריסטלים השונים. במקרה זה, ההליכים הצמיחה יהפוך מורכב יותר כאשר הביקוש גדל קריסטל 2D הטרו-מבנים.
לעומת הטכניקה צמיחה CVD, sulfurization של מתכות מעבר מראש הופקדו סרטים סיפקה גישה צמיחה דומה אבל הרבה יותר פשוט TMDs13,14. מאז ההליך צמיחה כרוך רק התצהיר מתכת, ההליך sulfurization הבא, זה אפשרי לגדול TMDs שונים דרך אותם הליכים צמיחה. מצד שני, בקירות וצפיות מספר שכבות של 2D הקריסטלים יכול להיעשות גם על ידי שינוי את עוביים מתכות מעבר הפקיד מראש. במקרה זה, צמיחה אופטימיזציה שכבה מספר שליטה עד שכבה אחת נדרשים עבור TMDs שונה. הבנת מנגנוני גדילה הוא גם מאוד חשוב להקמת מסובך TMD הטרו-מבנים בשיטה זו.
זה נייר, מוס2 ו- WS2 סרטים מוכנים תחת נהלים דומים צמיחה של העדות מתכת ואחריו ההליך sulfurization. עם התוצאות המתקבל את sulfurization של סרטים מו תחת תנאים מספיקים, חסר גופרית, שני מנגנונים הצמיחה הם נצפו במהלך הליך sulfurization15. תחת התנאי מספיק גופרית, ניתן לקבל סרט2 מוס אחיד, שכבה-מספר-לשליטה לאחר ההליך sulfurization. כאשר המדגם הוא sulfurized בתנאי חסר גופרית, הגפרית רקע אינה מספיקה ליצור סרט2 MoS מלאה כך מו תחמוצת סגרגציה של coalescence יהיה המנגנון השולט בשלב צמיחה מוקדם. ניתן להשיג דגימה עם מו תחמוצת אשכולות מכוסה על ידי כמה שכבות של מוס2 לאחר הליך sulfurization15. באמצעות התצהיר מתכת רציפים ונהלים sulfurization הבאים, WS2/MoS2 אנכי הטרו-מבנים עם שכבה מספר בקירות וצפיות עד שכבה אחת ניתן להכין15,16. בעזרת טכניקה זו, מדגם מתקבל על מצע ספיר יחיד לארבעה אזורים: (I) ריק המצע ספיר, (II) עצמאי MoS2, WS (III)2/MoS2 הטרו-מבנה ו (IV) עצמאי WS217 . התוצאות מדגימים כי הטכניקה הצמיחה יש יתרון להקמת הטרו-מבנה גבישי 2D אנכי והוא מסוגל צמיחה סלקטיבית. ההופעות התקן המשופרת של קריסטל 2D הטרו-מבנים יציינו את הצעד הראשון לקראת יישומים מעשיים של 2D הקריסטלים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. צמיחה של חומר 2D בודדים (MoS2 ו- WS2)
-
מתכות מעבר לעדות באמצעות התזה מערכת RF
- מצע נקי 2 x 2 ס"מ2 ספיר מושם על המחזיק לדוגמה עם הצד מלוטש לעבר המטרות של מערכת המלהגים לתצהיר מתכות מעבר. מצעים ספיר נבחרו בשל לשחיקה של ספיר-טמפרטורות גבוהות ומשטחים אטומי-שטוח.
- משאבת למטה תא המלהגים כדי גוה של פרק-6 3 x 10 ברצף באמצעות משאבה מכנית ואחריו משאבה דיפוזיה.
- להזריק את הגז Ar לתוך מערכת המלהגים ולשמור על זרימת הגז ב- 40 מ ל/דקה באמצעות בקר זרימת מסה (MFC).
- . תמשיכי ללחוץ קאמרית ב 5 10x-2 גוה של פרק באמצעות שסתום בקרת לחץ ידני, להצית פלזמה Ar. לשמור על כוחה פלט בגיל 40 W.
- להקטין את הלחץ הקאמרית 5 x 10-3 גוה של פרק באמצעות גלגל ידנית שסתום זווית בובה.
- באופן ידני לפתוח את התריס בין המצע ספיר המטרה מתכת 2 אינץ ולהתחיל התצהיר מתכת. במהלך ההליך התצהיר, לשמור על כוח המלהגים בגיל 40 W מו וגם וו הלחץ רקע נשמרת ב 5 × 10-3 טנדר של גוה של 40 mL/min זרימת הגז Ar.
- לקבוע את הזמן המלהגים להפקיד מתכות מעבר סרטים עם עוביים שונים. עקב מתכת בעובי דק, sputtering פעמים תספק בקרה טובה יותר על עובי הסרט מאשר קריאות מכל מהוד גביש הקוורץ.
הערה: המספרים שכבה של מוס2 ו- WS2 מבוגרים באמצעות השיטה דנו בכתב היד הנוכחי הם יחסיים פעמים המלהגים הסרטים מראש הופקדו מו ו- W. הקביעה של sputtering פעמים כדי להשיג MoS2 ו- WS2 עם השכבה הנדרשת מספרים מבוסס על תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים (HRTEM) חתך הרוחב שידור ברזולוציה גבוהה עבור דגימות עם פעמים המלהגים שונות. עם זאת, אם הסרטים מו ו- W מראש הופקדו עבה מדי, סגרגציה תחמוצת מו ו- W יהפוך מנגנון הצמיחה הדומיננטי, במקום MoS מישורי2 ו- WS2 הסרט צמיחה. לכן, המידתיות של שכבה מספרים עם הזמן המלהגים הוא מוגבל TMDs כמה שכבות. עם התנאי לצמיחה של מוס2 בכתב היד הנוכחי, המספרים שכבה תהיה פרופורציונאלית פעמים המלהגים מתי הסרט2 MoS הוא פחות מ-10 שכבות. הזמן המלהגים הוא 30 s לצמיחה של מוס 5-שכבה2.
-
Sulfurization של הסרט מתכות מעבר
- מקם את סובסטרטים ספיר עם מתכות מעבר מראש הופקדו סרטים במרכז של תנור חם עבור sulfurization.
- מקם את אבקת גופרית (S) במעלה הזרם של זרימת הגז, 2 ס מ ספורים מאזור חימום של הכבשן. במצב הזה, טמפרטורת אידוי על הפודרה S יהיה 120 ° C כאשר הטמפרטורה המצע עולה ל 800 מעלות צלזיוס. הבקרה בדיוק משקל S אבקת מתכות המעבר שונות עבור sulfurization. עבודה, המשקל אבקת S הוא 1.5 g לתנוע של 1.0 g על וו
הערה: אנו קובעים גופרית כמויות אבקה להכנת מוס2 ו- WS2 סרטי המבוססים על התוצאות המתקבלות עבור כל חומר שהוכן באמצעות כמויות שונות של אבקת גופרית. - . תמשיכי ללחוץ חימום-0.7 טנדר של גוה במהלך ההליך sulfurization, שימש 130 mL/min Ar הגז המוביל גז.
- כבש הטמפרטורה של הכבשן מ בטמפרטורת החדר עד 800 מעלות צלזיוס ב 40 דקות עם קצב ramping בטמפרטורה של 20 ° C לדקה לשמור על הטמפרטורה ב 800 מעלות צלזיוס עד אבקת גופרית הוא התאדה במלואו. לאחר מכן, הכוח חימום כבוי כדי להוריד את טמפרטורת התנור. זה לוקח בערך 30 עד 40 דקות בשביל החימום לטמפרטורת החדר של 800 מעלות צלזיוס.
- לבצע מדידות ספקטרום ראמאן באמצעות 488 ננומטר לייזר15,16,17. להשיג את התמונות HRTEM חתך הרוחב לאמת את המספרים שכבה של גבישים 2D15,16,17.
2. צמיחה של WS2/MoS2 אנכי יחיד הטרו-מבנה
הערה: סעיף זה משמש כדי ליצור יחידה הטרו-מבנה המורכב שכבה ספיר עם 5 שכבות של מוס2 ו 4 שכבות של WS2.
- בצע את ההליך כשלב 1.1. להפקיד את הסרט מו על המצע ספיר באמצעות על הגג sputtering המערכת עם 30 s בזמן sputtering.
- Sulfurize הסרט מו ביצוע הפרוצדורות sulfurization אותו כמו צעד 1.2 לצמיחה של מוס2. ניתן להשיג חמש שכבות של מוס2 לאחר ההליך sulfurization.
- בצע את ההליכים באותו כשלב 1.1. להפקיד את הסרט W על מוס2/המצע ספיר שימוש על הגג sputtering המערכת עם 30 s בזמן sputtering.
- Sulfurize הסרט W, באותו ההליך sulfurization של צעד 1.2 לצמיחה של WS2. ניתן להשיג ארבע שכבות של WS2 מעל מוס2 לאחר ההליך sulfurization.
הערה: ההליך התצהיר, sulfurization מתכת היא זהה לזו של החומר בודדים. הטיימס המלהגים הסרטים מו ו- W נקבעים בהתאם המספרים הנדרשים שכבה של מוס2 ו- WS2 שכבות. חדר זוגי - או מולטי-hetero-מבנים יכול להתבסס על חוזר לאותו תהליך הצמיחה. ניתן גם לשנות את רצף TMDs במבנים-הטרו אנכי בהתאם למבנה הדגימה.
3. העברת הסרט ונהלים התקן פבריקציה נוספת
-
הסרט מעביר הליך של הסרטים קריסטל 2D
- ספין מעיל 3 טיפות של poly(methyl methacrylate) (PMMA) על הסרט TMD כדי לכסות את כל הסרט בטמפרטורת החדר. סיבוב שני שלבים של תיבת הטווח המהירויות 500 סל ד עבור 10 s ו- 800 סל ד 10 s. לאחר ריפוי ב 120 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות, העובי PMMA הוא סביב 3 מיקרומטר.
- מקם את הדגימה PMMA/TMD/ספיר צלחת פטרי אשר מלא במים (DI) יונים.
- לקלף פינה אחת של הסרט PMMA/tmd בע מהמצע ספיר באמצעות פינצטה במים DI.
- חום 250 מ של 1 מ' KOH תמיסה מימית (14 גרם KOH כדורי מעורבב עם 250 מ ל מים) בתוך עד 100 ° C. להעביר את הדגימה בתמיסה המימית קו מחוממת ולהמשיך פילינג הסרט PMMA/TMD עד הסרט קולפה לחלוטין מן המצע. פילינג דורש כ 1 דקות כדי להשלים.
- השתמש מצע ספיר נפרד פוטנציאליים הסרט PMMA/tmd בע מהפתרון KOH. להעביר את הסרט גביע 250 מ ל מלא במים DI לשטוף את שאריות קו על הסרט. בשלב זה, הידבקות בין הסרט PMMA/TMD המצע ספיר להגיש את הסרט הוא חלש. לכן, הסרט יצרף בטל מן המצע ספיר לאחר טבילה לתוך המים DI.
- חזור על שלבים 3.1.4 - 3.1.5 שלוש פעמים משתמש חדש די מים כדי לוודא כי רוב השאריות KOH יוסר הסרט.
הערה: הידבקות בין כל שכבה TMD הוא הרבה יותר חזק מאשר TMDs עם המצע ספיר. לכן, ניתן להחיל את ההליך המעביר בודדים MoS /WS22 חומרים או הטרו-מבנים שלהם. הסרטים קריסטל 2D לגמרי לקלף מן המצע, בדומה הפילינג של מוס2/graphene הטרו-מבנה שעלון הפרסום הקודם18. בהתאם למטרת העברת הסרט, המצע שהוזכר בשלב זה יכול להיות מצע ספיר או מצע /Si2SiO עם אלקטרודות הפקיד מראש, כפי שמתואר בשלב 3.2. מצעים אחרים יכולים לשמש גם למטרה זו.
-
הזיוף של טרנזיסטורים קריסטל 2D.
- השתמש פוטוליתוגרפיה סטנדרטי כדי להגדיר דפוסים אלקטרודה SiO2/Si סובסטרטים15,16,17. אלקטרודות המקור, ניקוז nm 10 טיטניום (Ti) או nm 100 זהב (Au) מיוצרים על מצע סי 300 ננומטר SiO2/p-type.
- לטבול את SiO המצע /Si2עם מראש עם תבנית מקור/ניקוז אלקטרודות לתוך. הספל מלא במים DI ולצרף לצד TMD של הסרט PMMA/TMD מוכן בשלב 3.1.
- אופים את הדגימה ב 100 מעלות צלזיוס למשך 3 דקות, אחרי הסרט הוא למצע SiO2/Si, כדי להסיר את שאריות המים.
- לטפטף 3 טיפות PMMA על הדגימה עם הסרט PMMA/TMD כדי לכסות את המשטח כולו ולהפוך את הסרט יותר בחוזקה למצע.
- מקם את הדגימה בארון יבש אלקטרוניים לפחות 8 שעות לפני המעבר לשלב הבא.
- למלא שני ספלים שונים 250 מ עם אצטון. לטבול את הדגימה מצורפים עם הסרט PMMA/TMD ברצף אל שני ספלים שונים מלא עם אצטון עבור 50 ו- 10 דקות, בהתאמה, כדי להסיר את השכבה העליונה PMMA.
- הגדר את הערוץ טרנזיסטור באמצעות פוטוליתוגרפיה רגיל ואיכול15,16,17. חזרה-שער MoS2 טרנזיסטורים2/MoS2 הטרו-מבנה WS מפוברק15,16,17בקרב אנשי עסקים ותיירים כאחד. ערוץ האורך והרוחב של המכשירים הם μm 5 ו 150, בהתאמה.
- השתמש מכשיר sourcemeter ערוץ כפול מערכת למדידת זרם-מתח מאפייני הטרנזיסטורים15,16,17.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
את ספקטרום ראמאן ותמונות HRTEM חתך הרוחב של מוס בודדים2 ו- WS2 המציא את sulfurization של מתכות המעבר הפקיד מראש באמצעות מוצגים איור 1a-b17, בהתאמה. שתי פסגות ראמאן האופיינית שנצפו MoS2 והן WS2, אשר תואמות את תוך מטוס 
ו- out-של-המטוס1 g פונון מצבי רטט ב 2D הקריסטלים. הפרש תדר Δk של שתי פסגות ראמאן עבור המדגם2 MoS הוא 24.1 ס"מ-1, שמצביע על 4-5 שכבות של מוס2 הושג19. עם זאת, קשה לקבוע את מספר שכבה אפשרי ישירות מ- ס מ 63.4 ערך גדול Δk -1 של WS217. תמונות HRTEM חתך הרוחב בשתי הדגימות, המוצגת באיור 1 c-d, חשפו כי 5 - ו 4-שכבה מוס2 ו- WS2 מתקבלים בשתי הדגימות, בהתאמה. התוצאות הראו כי דרך sulfurizing של מתכות המעבר, שטח גדול ואחידה MoS2 ו- WS2 סרטים ניתן להשיג.
התמונה HRTEM חתך הרוחב של הסרט 1.0 ננומטר מו sulfurized בתנאי חסר גופרית מוצג באיור 2a, שבה נצפו אשכולות מכוסה בשכבה כמה 2D הקריסטלים. תוצאות אלו ציינו כי שני מנגנונים צמיחה נצפו במהלך הליך sulfurization15. תחת התנאי מספיק גופרית, גופרית-עבור-חמצן תגובות התרחש במהירות כך MoS מישורי2 מכוסה המדגם כולו תוך זמן קצר. MoS מישורי2 הסרט על פני מדגם יכול למנוע הגירה גשמי כזה סרט2 מוס אחיד, שכבה-מספר-לשליטה יכול להיות מושגת לאחר ההליך sulfurization. עם זאת, כאשר המדגם היה sulfurized בתנאי חסר גופרית, הגפרית רקע לא היה מספיק ליצור סרט2 MoS מלאה כך מו תחמוצת סגרגציה של coalescence היה המנגנון השולט בשלב צמיחה מוקדם. במקרה זה, דגימה עם מו תחמוצת אשכולות מכוסה על ידי כמה שכבות מוס2 מתקבלת לאחר הליך sulfurization15. תרשים סכמטי המתאר את הדגם של sulfurization מתכות מעבר מוצג באיור 2b15. מאז שני מנגנונים צמיחה נצפו במהלך ההליך sulfurization, היה גבול עליון עבור המספר שכבה2 MoS עם גידול חד פעמי.
באמצעות התצהיר מתכת רציפים עם נהלים sulfurization שנדונו לעיל, WS2/MoS2 יחיד הטרו-מבנה הוכנה לאחר שני הליכים של מתכות מעבר לעדות/sulfurization. ספקטרום ראמאן ואת הדימוי HRTEM חתך הרוחב של המדגם מוצגים באיור 3a-b17. מלבד התכונה ראמאן פסגות המתאים MoS2 ו- WS2, בהתאמה, שכבה זהות המספר 9 עם הסיכום של 5 - ו 4-השכבה הבודדת MoS2 ו- WS2 מרמז כי המדגם היה WS2/ מוס2 הטרו-מבנה בודד. בעקבות תהליכי צמיחה דומה, WS2/MoS2/WS2 כפול הטרו-מבנה הוכנה לאחר שלושה הליכים של מתכות מעבר לעדות/sulfurization. ספקטרום ראמאן ואת הדימוי HRTEM חתך הרוחב של המדגם מוצגים באיור 3 c-d. עם אבחנה דומה של מוס2 ו- WS2 שפסגות ראמאן האופיינית שנדונו לעיל, רק שלוש שכבות של 2D הקריסטלים נצפו עבור דוגמה זו. תוצאות אלו חשפו כי טוב (א) שכבה מספר בקירות וצפיות עד שכבה אחת הושג עבור טכניקה זו צמיחה ו- (b) קריסטל 2D אנכי כפול הטרו-מבנה ניתן להקים שלוש שכבות אטומיות בודדות עובי16.
דגימה נוספת עם חצי-כיסוי מתכות מעבר התצהיר היה מוכן להראות את האפשרות של גידול סלקטיבי בטכניקה צמיחה שנסקרו בדו ח זה. מאת מיגון מחצית המצע ספיר במהלך התצהיר מו 1.0 ננומטר, מחצית המצע יכול להיות מכוסה MoS2 לאחר sulfurization. לאחר מכן, המדגם היה מסובב 90° עד פיקדון W כדי לכסות מחצית המצע ספיר. ההליך sulfurization נערך שוב. במקרה זה, לארבעה אזורים עם המצע ספיר ריק (א), (ב) עצמאי MoS2, WS (ג)2/MoS2 הטרו-מבנה (ד) עצמאי WS2 התקבלו בתוך המצע ספיר יחידה17. התמונה של ספקטרום ראמאן של ארבעה אזורים שונים על הדגימה מוצגים באיור4. כפי שמוצג באיור, WS גדול-אזור ואחידה2 ואת הרצאתו של2 סרטים הטרו-מבנים אנכיים שלהם גדלו באופן סלקטיבי על המצע ספיר אותו. התוצאות הראו כי מלבד הקמת אנכי הטרו-מבנים, השיטה צמיחה של מתכות מעבר sulfurization באופן סלקטיבי גדל 2D הקריסטלים על מצעים. גמישות זו עשוי לתת יותר מקום כדי הכוזבות התקן מבוסס על חומרים דו-מימדית, הטרו-מבנים שלהם.
כדי להשוות את ביצועי המכשיר הטרנזיסטורים עם מוס2 של WS2/MoS2 אנכי הטרו-מבנה כערוצי התקן, היו שני הטרנזיסטורים מפוברק בעקבות ההליך פבריקציה נוספת שמתואר בשלב 3 של פרוטוקול. תרשים סכמטי מציג את הליך ייצור מוצג גם איור 5a. . אניD-VGS עקומות של המכשירים ב VDS = 10 V מוצגות באיור איור 5b. לעומת ה טרנזיסטור MoS2 , נצפתה עלייה משמעותית הניקוז הנוכחי עבור ההתקן הטרו-מבנה. ערכי שדה-אפקט ניידות של שני המכשירים עם מוס2 ו- WS2/MoS2 הטרו-מבנה כערוצים שחולצו מן העקומות הם 0.27 ו 0.69 ס מ2/V·s, בהתאמה. שלנו חיזוי הקודם של הזרקת אלקטרון WS2 ל- MoS2 ומן גבוה יותר ערוצי ריכוז אלקטרונים תחת שיווי משקל תרמי יכול להיות אחראי על תופעה זו.
אחרי העדות הסרט מו דק, המדגם היה עזב את התא המלהגים ונחשף לאוויר. מאז הסרט מו הוא דק מאוד, זה היה מחומצן ויצרו מו תחמוצות במהירות בתנאים אמביינט. XPS העקומה (הספקטרומטריה photoelectron) של המדגם לפני ההליך sulfurization מוצג ב- 6a איור. כפי שמוצג באיור, הסרט היה מורכב של MoO2 MoO3 לפני ההליך sulfurization. תוצאות אלו מראים כי הסרט מו היה מחומצן במהלך ההליך המעביר מן החדר המלהגים אל התנור חם. שאר העדויות התומכות להיווצרות קריסטל 2D הטרו-המבנה עשוי הגיעו החריטה סלקטיבי המקבילה של קריסטל 2D הטרו-המבנה. למטרה זו, הראו כי תחריט אטומי יכולה להיות מושגת MoS2 וגם WS2 שימוש בחשמל חמצן פלזמה טיפול20. ניתן להשיג שוות ערך סלקטיבי איכול הטרו-במבנה אנכי חוזרת של שכבות אטומיות בודדות תצריב בהליך. ספקטרום ראמאן של חרוט, חרוט האו ם 4-שכבה WS2/3-layer MoS2 אנכי הטרו-המבנה מוצגים באיור 6b. תחריט שכבות אטומיות בודדות הפעמים היו עקביים עם מספר שכבות של WS2 (4 פעמים). התצפיות של מוס2 וגם WS2 ראמאן פסגות על האזור האו ם חרוט, מוס2 אותות רק על האזור חרוט, מציע כי הטרו-במבנה אנכי הוקמה בטכניקה צמיחה המתוארים במסמך זה.
איור 1: גבישים 2D בודדים של מוס2 ו- WS2. (a, b) ספקטרום ראמאן, תמונות (c, d) HRTEM חתך הרוחב של העצמאי MoS2 ו- WS2, בהתאמה17. הדגימות מתקבלים על ידי sulfurizing 1.0 ננומטר מו, סרטים W שהוכנו על ידי מערכת המלהגים. כפי שמוצג ספקטרום ראמאן, שתי פסגות ראמאן האופיינית נצפו MoS2 וגם WS2, אשר תאמו בתוך מטוס 
ו- out-של-מטוס 
פונון מצבי רטט ב 2D הקריסטלים. המספרים מספר שכבות של מוס2 ו- WS2 מבוגרים באמצעות השיטה דנו בכתב היד הנוכחי היו יחסי לזמני המלהגים הסרטים מו ו- W הפקיד מראש. הקביעה של sputtering פעמים כדי להשיג MoS2 ו- WS2 עם השכבה הנדרשת מספרים מבוסס על התמונות HRTEM חתך הרוחב עבור דגימות עם פעמים המלהגים שונות. עם זאת, אם הסרטים מו ו- W מראש הופקדו עבה מדי, סגרגציה תחמוצת מו ו- W יהפוך מנגנון הצמיחה הדומיננטי במקום MoS מישורי2 וצמיחה הסרט WS2 . לפיכך, המידתיות של שכבה מספרים עם הזמן המלהגים היה מוגבל TMDs כמה שכבות. עם התנאים צמיחה של מוס2 בכתב היד הנוכחי, המספרים שכבה יהיה פרופורציונלי פעמים המלהגים מתי הסרט2 MoS הוא פחות מ-10 שכבות. הזמן המלהגים הוא 30 s לצמיחה של מוס 5-שכבה2. איור זה שונה מוו. et al. 17 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2: מודל הצמיחה של מתכות מעבר sulfurization. () HRTEM חתך התמונה של הסרט מו 1.0 ננומטר sulfurized תחת תנאי חסר גופרית ו- (b) את תרשים סכמטי המתאר את המודל עבור מתכות מעבר ה-sulfurization15. תנאי הגידול של המדגם המוכנים אין אבקת גופרית להציב בכבשן נקרא כתנאי לקוי גופרית. מאז תמיד יש שאריות של גופרית הצטברות ליד במורד הזרם של התא צמיחה לאחר חזרה על מחזורי צמיחה, צפוי כי כמות קטנה של גופרית עדיין מפוזר על פני השטח מדגם, לגרום MoS2 צמיחה. עם זאת, בתנאים לקוי כזה גופרית, לא כל ללחו הפקיד מראש להיהפך MoS2. איור זה השתנה מ וו ואח15. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3: MoS2/WS2 יחיד-כפול-הטרו-מבנים- ספקטרום ראמאן, הדימויים HRTEM חתך הרוחב של WS2/MoS2 (a, b) יחיד - ו (c, d) הטרו-מבנים16,17. כפי שמוצג בחלק של ספקטרום ראמאן, המישור של ו- out-של-מטוס פונון מצבי רטט של מוס2 וגם WS2 שנצפו הטרו-המבנים קריסטל 2D. הלוחות שונו צ'ן. et al. , וו. et al. 16 , 17 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4: צמיחה סלקטיבית של 2D הקריסטלים. התמונה, ספקטרום ראמאן של ארבעה מחוזות המדגם שהוכנו עם חצי-כיסוי התצהירים מתכות מעבר על סובסטרט יחיד ספיר17. ספקטרום ראמאן במצע () ריק ספיר, (b) עצמאי MoS2, (ג) WS2/MoS2 הטרו-מבנה ו- (ד) עצמאי WS2 אזורים של המדגם חשף מאפיין פסגות ראמאן. איור זה שונה מוו. et al. 17 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 5: את ביצועי המכשיר MoS2, WS2/MoS2 אנכי הטרו-מבנה טרנזיסטורים. () הליך ייצור הטרנזיסטורים עם מוס2 של WS2/MoS2 אנכי הטרו-מבנה ערוצים ו- (b) אניD-VGS עקומות של שני המכשירים ב VDS = 10 V 17. עוביים של 1.0 ננומטר לסרטים מו ו- W, התקבלו הקריאות של מהוד גביש הקוורץ. הטיימס המלהגים היו 30 s עבור שני חומרים. איור זה שונה מוו. et al. 17 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 6: החמצון של הפקיד מראש סרטים מו ואת את החריטה סלקטיבי המקבילה של WS2/MoS2 אנכי הטרו-מבנים- () XPS עקומת המדגם עם הסרט מו קדם הופקדו לפני ההליך sulfurization. הסרט מורכב MoO2 ו- MoO3 לפני ההליך sulfurization. תוצאות אלו מראים כי הסרט מו היה מחומצן במהלך ההליך המעביר מן החדר המלהגים אל התנור חם. (b) ראמאן ספקטרום של חרוט, חרוט האו ם 4-שכבה WS2/3-layer MoS2 אנכי הטרו-המבנה. לאחר ארבע פעמים של שכבות אטומיות בודדות תחריטים, רק MoS2 פסגות נצפו על האזור חרוט; פאנל B שונה מצ'ן. et al. 20 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
לעומת חומרים מוליכים למחצה קונבנציונלי כגון סי GaAs, היתרון של חומרים 2D עבור התקן יישומים טמונה האפשרות של ייצור ההתקן עם גופי רזה מאוד עד כמה שכבות אטומיות. כאשר תעשיית סי מקדמות לתוך < 10 ננומטר טכנולוגיית צומת, יחס גבוה של Si סנפיר FET יגרום הארכיטקטורה התקן מתאים ליישומים מעשיים. לכן, חומרים 2D הופיעו בשל הפוטנציאל שלהם כדי להחליף סי ליישומים מכשיר אלקטרוני.
למרות החומר 2D הכי נחקרות, גרפן, צפוי להציג ערכי ניידות גבוהה, טבעה bandgap אפס הובילה למצב לא פעיל עבור הטרנזיסטורים גראפן. במקרה זה, חומרים 2D אחרים כגון TMDs עם ערכים bandgap גלוי באה בחשבון. כיום, הגישה הנפוצה ביותר כדי לקבל שטח גדול TMDs היא להשתמש בטכניקה CVD. למרות טכניקה זו הצמיחה לספק סרטים TMD שטח גדול ובעל מראה אחיד, הבחירה של מבשרי המתאים וטמפרטורות גידול שונים עבור TMDs שונה היא חסרון לפיתוח של מבנים מורכבים כגון חומר 2D הטרו-מבנים. במקרה זה, sulfurization של מתכות המעבר כפי שפורט במאמר זה הפך בגישה מבטיח להקמתה של TMD הטרו-מבנים. זה אפשרי sulfurize TMDs שונים בתנאים sulfurization דומה.
נושא אחד חשוב לצמיחה של חומרים דו-מימדית היא בקירות וצפיות מספר השכבה. בקירות וצפיות מספר שכבות של הסרט2 MoS שהוכנו על ידי מתכות המעבר sulfurizing כפי שפורט במאמר זה הושג על-ידי שליטה עוביים הסרט הפקיד מראש את מו. העובי של הסרט מו היה בשליטת הזמן המלהגים. במקרה של 30 s sputtering הזמן, עובי הסרט מו נאמדת ~ 1 ננומטר. לאחר הניתוח sulfurization, חמש שכבות של מוס2 צריכה להתקבל17. במקרה של 10 s sputtering הזמן, MoS מונו-שכבה2 צריכה להתקבל16.
המגבלה העיקרית של שיטה זו הצמיחה טמון המספרים המרבי שכבה עם sulfurization חד פעמי. כפי שפורט בסעיף הקודם, אחרי העדות הסרט מו דק, המדגם היה עזב את התא המלהגים ונחשף לאוויר. מאז הסרט מו היה דק מאוד, זה היה מחומצן ויצרו מו תחמוצות במהירות בתנאי הסביבה. לכן, אם הסרט מו קדם הופקדו סמיך מדי. הרצאתו של מישורי2 לא יהיה מספיק כדי למנוע מו סגרגציה תחמוצת במהלך ההליך sulfurization ולא ניתן להשיג דגימה עם אשכולות של רב-שכבתית MoS2 כיסוי תחמוצות מו. עם התנאים צמיחה אימצה בעיתון הזה, המספר הגבוה ביותר של שכבה2 MoS היה מחזור בסביבות 10 עם גידול חד פעמי.
כדי להתגבר על החיסרון הזה, אם סרט2 MoS עם מספר שכבות גדול יותר מ- 10 נדרשת, זה אפשרי לחזור על התהליך הצמיחה באותו תצהיר מתכת, sulfurization כדי להשיג את הסרט עם המספר הנדרש של שכבות11. Sulfurization של מתכות המעבר מראש הופקדו סיפקה את האפשרות של צמיחה הסרט TMD מדרגי עם בקירות וצפיות מספר טוב שכבה. באמצעות גישה זו, הקמת אנכי הטרו-מבנים, גידול סלקטיבי על מצעים ספיר גם הוכח. הטכניקה צמיחה המתוארים במסמך זה יציינו צעד חשוב לקראת היישום המעשי של 2D הקריסטלים. עם ביצועים משופרים התקן של קריסטל 2D הטרו-מבנים, חומרים 2D יכול להיות מועמד אפשרי להתפתחות של מכשירים אלקטרוניים בגודל ננומטר. עבודה בעתיד, לערום חומרים 2D להקים הטרו-מבנים שונים כדי לקבל מאפיינים אופטיים וחשמליים שונים עם חומר בודדים יהיה נושא חשוב עבור יישומים מעשיים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמך בחלקה על ידי פרויקטים ביותר 105-2221-E-001-011-MY3 ביותר 105-2622-8-002-001 ממומן על ידי משרד המדע, הטכנולוגיה, טייוואן, בחלקו על ידי ממוקד הפרוייקט ממומן על ידי המרכז לחקר ללימודי מדעים חלה Sinica אקדמיה, טיוואן.
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).
