Waiting
Login processing...

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

Engineering

Preparação da grande-área Vertical 2D cristal Hetero-estruturas através da Sulfurization dos filmes de Metal de transição para a fabricação de dispositivo

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

Através do sulfurization de metais de transição previamente depositados, hetero-estruturas de grande área e vertical cristal 2D podem ser fabricados. O filme de transferência e os procedimentos de fabricação do dispositivo também são demonstrados neste relatório.

Abstract

Nós têm demonstrado que através da sulfurization dos filmes de metal de transição, tais como molibdênio (Mo) e o tungstênio (W), grande área e uniforme de metal de transição dichalcogenides (TMDs) MoS2 e WS2 pode ser preparada em substratos de safira. Controlando as espessuras de película do metal, controlabilidade número boa camada, até uma única camada de TMDs, pode ser obtida usando esta técnica de crescimento. Com base nos resultados obtidos a partir do filme de Mo sulfurizado sob a condição de deficiente de enxofre, existem dois mecanismos de crescimento de2 MoS (a) planar e (b) segregação de óxido Mo observada durante o procedimento de sulfurization. Quando o enxofre do fundo é suficiente, o crescimento de DTM planar é o mecanismo de crescimento dominante, que resultará em um filme de2 MoS uniforme após o procedimento de sulfurization. Se o enxofre do fundo é deficiente, segregação de óxido de Mo será o mecanismo de crescimento dominante na fase inicial do processo de sulfurization. Neste caso, a amostra com clusters de óxido Mo coberto com camada alguns MoS2 será obtida. Após a deposição de Mo sequencial/sulfurization e procedimentos de deposição/sulfurization W, vertical WS2/MoS2 hetero-estruturas são estabelecidos usando esta técnica de crescimento. Picos Raman correspondente ao WS2 e MoS2, respectivamente e o número da camada idêntica da hetero-estrutura com o somatório dos materiais individuais 2D confirmaram a criação bem sucedida do cristal 2D vertical hetero-estrutura. Após a transferência o WS2película de2 /MoS sobre um substrato de /Si SiO2com eletrodos de fonte/dreno previamente padronizada, um transistor da porta inferior é fabricado. Comparado com o transistor com apenas2 canais de MoS, as correntes de descarga maiores do dispositivo com o WS2/MoS2 hetero-estrutura que comparecemos com a introdução da hetero-estruturas de cristal 2D, dispositivo superior desempenho pode ser obtido. Os resultados revelaram o potencial desta técnica de crescimento para a aplicação prática dos cristais 2D.

Introduction

Uma das abordagens mais comuns para obter filmes 2D cristal está usando esfoliação mecânica de granel materiais1,2,3,4,5. Embora filmes cristal 2D com alta qualidade cristalina podem ser facilmente obtidos usando esse método, escalável cristal 2D filmes não são disponíveis através desta abordagem, o que é desvantajosa para aplicações práticas. Foi demonstrado em publicações anteriores que usando a deposição de vapor químico (CVD), filmes de grande área e uniforme cristal 2D podem ser preparado6,7,8,9. Crescimento direto de grafeno sobre substratos safira e filmes de2 camada-número-controláveis MoS preparados, repetindo o mesmo ciclo de crescimento são também demonstrada usando a técnica de crescimento do CVD10,11. Em uma recente publicação, WSe no plano2/MoS2 flocos de hetero-estrutura também são fabricados usando o CVD crescimento técnica12. Embora a técnica de crescimento de CVD é promissor no fornecimento de filmes de cristal 2D escaláveis, a grande desvantagem dessa técnica de crescimento é que diferentes precursores tem que ser localizado para cristais 2D diferentes. As condições de crescimento também variam entre diferentes cristais 2D. Neste caso, os procedimentos de crescimento vão se tornar mais complicados quando a demanda cresce para hetero-estruturas de cristal 2D.

Comparado com a técnica de crescimento de DCV, o sulfurization dos filmes de metal de transição previamente depositada tem prevista uma abordagem semelhante, mas muito mais simples crescimento TMDs13,14. Desde que o processo de crescimento envolve apenas a deposição de metais e o procedimento a seguir sulfurization, é possível crescer TMDs diferentes através dos mesmos procedimentos de crescimento. Por outro lado, a controlabilidade número de camada dos cristais 2D também pode ser alcançada alterando as espessuras de metal de transição previamente depositado. Neste caso, o crescimento otimização e camada número controle para baixo para uma única camada são necessários para diferentes TMDs. compreender mecanismos de crescimento também é muito importante para o estabelecimento de complicado DTM hetero-estruturas usando esse método.

Neste papel, MoS2 e WS2 filmes são preparados sob procedimentos semelhantes de crescimento da deposição metal seguido o procedimento de sulfurization. Com os resultados obtidos com o sulfurization dos filmes de Mo em condições suficientes e deficiente de enxofre, dois mecanismos de crescimento são observados durante o procedimento de sulfurization15. Sob a condição suficiente de enxofre, um filme de2 MoS camada-número-controláveis e uniforme pode ser obtido após o procedimento de sulfurization. Quando a amostra é sulfurizada sob a condição de deficiente de enxofre, o enxofre do fundo não é suficiente para formar um filme de2 MoS completo, tal que a segregação de óxido de Mo e coalescência será o mecanismo dominante na fase inicial de crescimento. Uma amostra com clusters de óxido Mo coberto por poucas camadas de MoS2 será obtida após o procedimento de sulfurization15. Através da deposição de metal sequencial e seguir os procedimentos sulfurization, WS2/MoS2 hetero-estruturas verticais com controlabilidade número de camada para baixo a uma única camada pode ser preparado de15,16. Usando esta técnica, uma amostra é obtida em uma única carcaça safira com quatro regiões: (I) em branco safira substrato, (II) standalone MoS2, (III) WS2/MoS2 hetero-estrutura e (IV) standalone WS217 . Os resultados demonstram que a técnica de crescimento é vantajosa para o estabelecimento de hetero-estrutura de cristal 2D vertical e é capaz de um crescimento seletivo. As performances de dispositivo aprimorado de hetero-estruturas de cristal 2D marcará o primeiro passo para aplicações práticas para cristais 2D.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. crescimento Individual material 2D (MoS2 e WS2)

  1. Deposição de metal de transição, usando um sistema que sputtering de RF
    1. Um substrato de2 safira limpo 2 x 2 cm é colocado no porta-amostra com o lado polido em direção os alvos do sistema de pulverização catódica para a deposição de metais de transição. Substratos de safira são escolhidos devido à estabilidade química do safira em altas temperaturas e superfícies atômica bemol.
    2. Bomba de pulverização catódica câmara de 3 x 10-6 torr sequencialmente utilizando uma bomba mecânica, seguida por uma bomba de difusão.
    3. Injetar o gás de Ar no sistema de pulverização catódica e manter o fluxo de gás em 40 mL/min, utilizando um controlador de fluxo de massa (MFC).
    4. Manter a pressão da câmara em 5 x 10-2 torr usando uma válvula de controle de pressão manual e inflamar o plasma de Ar. Manter a potência de saída em 40 w.
    5. Diminua a pressão da câmara de 5 x 10-3 torr usando uma roda manual válvula de assento angular.
    6. Manualmente, abra o obturador entre o substrato de safira e o alvo de metal de 2 polegadas e iniciar a deposição de metais. Durante o processo de deposição, manter o poder de pulverização catódica em 40 W para Mo e W. A pressão de fundo deve é mantida a 5 × 10-3 torr com 40 mL/min de fluxo de gás de Ar.
    7. Controle o tempo de pulverização catódica para depositar metal de transição filmes com espessuras diferentes. Devido a espessura do metal fina, pulverização catódica vezes proporcionará melhor controle sobre a espessura da película do que as leituras do ressonador de cristal de quartzo.
      Nota: Os números de camada de MoS2 e WS2 crescido usando o método discutido no manuscrito atual são proporcionais aos tempos sputtering dos filmes pre-depositados Mo e W. A determinação de sputtering vezes obter MoS2 e WS2 com números exigidos camada baseia-se as imagens de microscopia eletrônica (HRTEM) transversal de transmissão de alta resolução para amostras com diferentes tempos de pulverização catódica. No entanto, se os filmes previamente depositados, Mo e W são muito espessos, Mo e W segregação de óxido se tornará o mecanismo de crescimento dominante, em vez de planar MoS2 e crescimento de filme WS2 . Portanto, a proporcionalidade dos números de camada com os tempos de sputtering é limitada a alguns-camada TMDs. Com a condição de crescimento de MoS2 no manuscrito atual, os números de camada será proporcionais às vezes sputtering quando o filme de2 MoS é menos de 10 camadas. Pulverização catódica são 30 s para o crescimento da camada 5 MoS2.
  2. O sulfurization do filme metal de transição
    1. Coloque os substratos safira com filmes de metal de transição previamente depositado no centro de um forno quente para sulfurization.
    2. Coloque o pó de enxofre (S) montante do fluxo de gás, 2 cm de distância da zona de aquecimento do forno. Nesta posição, a temperatura de evaporação para o pó de S será 120 ° C quando a temperatura do substrato aumenta a 800 ° C. Controle com precisão o peso do pó de S para diferentes metais de transição para sulfurization. No trabalho, o peso do pó de S é 1,5 g para Mo e 1,0 g por W.
      Nota: Podemos determinar quantidades de enxofre em pó para a preparação de MoS2 e filmes de2 WS baseados nos resultados obtidos para cada material preparado usando diferentes quantidades de pó de enxofre.
    3. Mantenha a pressão da fornalha 0,7 torr. Durante o procedimento de sulfurization, 130 mL/min de gás de Ar foi usado como gás de transporte.
    4. Rampa a temperatura do forno de temperatura de 800 ° C em 40 min com uma taxa de subida de temperatura de 20 ° C/min. manter a temperatura a 800 ° C até que o pó de enxofre é totalmente evaporado. Depois disso, a potência do aquecedor é desligada para abaixar a temperatura do forno. Demora cerca de 30 a 40 min para a fornalha para atingir a temperatura de 800 ° C.
  3. Realize medições de espectro Raman usando um 488 nm laser15,16,17. Obter as imagens HRTEM transversais para verificar os números de camada dos cristais 2D15,16,17.

2. o crescimento da WS2/MoS2 Vertical único Hetero-estrutura

Nota: Esta seção é usada para criar um único hétero-estrutura composta por uma camada de safira com 5 camadas de MoS2 e 4 camadas de WS2.

  1. Siga o mesmo procedimento como passo 1.1. Depositar o filme Mo no substrato safira usando o sistema com um 30 que sputtering RF s tempo que sputtering.
  2. Sulfurize filme Mo seguindo os mesmos procedimentos de sulfurization como passo 1.2 para o crescimento de MoS2. Cinco camadas de MoS2 serão obtidas após o procedimento de sulfurization.
  3. Siga os mesmos procedimentos como passo 1.1. Depositar o filme de W no MoS2/safira substrato utilizando o sistema com um 30 que sputtering RF s tempo que sputtering.
  4. Sulfurize o filme W seguindo o mesmo procedimento de sulfurization de etapa 1.2 para o crescimento da WS2. Quatro camadas de WS2 serão obtidas em cima do MoS2 após o procedimento de sulfurization.
    Nota: O processo de deposição e sulfurization metal é o mesmo que o material individual. A pulverização catódica dos filmes Mo e W são determinados dependendo os números necessários camada de MoS2 e WS2 camadas. Duplo - multi-hetero-estruturas ou pode ser estabelecido por repetir o mesmo processo de crescimento. A sequência dos TMDs na hetero-estruturas verticais também pode ser alterada dependendo da estrutura da amostra.

3. a transferência de filme e procedimentos de fabricação do dispositivo

  1. O filme de transferir o procedimento dos filmes 2D cristal
    1. Rotação revestir três gotas de poly(methyl methacrylate) (PMMA) sobre o filme de DTM para cobrir todo o filme em temperatura ambiente. As velocidades de rotação de dois estágios do spinner são 500 rpm para 10 s e 800 rpm por 10 s. Após a cura a 120 ° C por 5 min, a espessura PMMA é cerca de 3 µm.
    2. Coloca a amostra PMMA/DTM/safira em uma placa de Petri que é preenchido com água desionizada (DI).
    3. Descole um canto do filme PMMA/DTM da safira substrato usando uma pinça em água DI.
    4. Aqueça 250 mL de solução aquosa de 1m KOH (Pelotas KOH de 14 g misturadas com 250 mL de água) num copo de 100 ° C. Mover a amostra na solução aquosa de KOH aquecida e continuar descascando o filme PMMA/DTM, até que o filme é completamente descascado fora do substrato. Peeling requer cerca de 1 minuto para concluir.
    5. Use um substrato safira separado para colher-se o filme PMMA/DTM a partir da solução KOH. Mova o filme para um copo de 250 mL, preenchido com água para lavar o resíduo KOH sobre o filme. Nesta fase, a adesão entre o filme PMMA/DTM e o substrato safira para colher o filme é fraca. Portanto, o filme irá anexar eliminação de safira substrato após imersão em água DI.
    6. Repita os passos 3.1.4 - 3.1.5 três vezes usando o novo DI água para certificar-se que a maioria do resíduo KOH é removido do filme.
      Nota: A adesão entre cada camada de DTM é mais forte que TMDs com o substrato de safira. Portanto, o mesmo procedimento de transferência pode ser aplicado para materiais individuais MoS2/WS2 ou suas hetero-estruturas. Os filmes 2D cristal vão ser completamente descascados do substrato, que é semelhante para o peeling da MoS2/graphene hétero-estrutura discutido em uma anterior publicação18. Dependendo da finalidade da transferência do filme, o substrato mencionado nesta etapa pode ser um substrato de safira ou um SiO2/Si substrato com eletrodos previamente depositados, conforme descrito no passo 3.2. Outros substratos também podem ser usados para essa finalidade.
  2. A fabricação de transistores cristal 2D.
    1. Use fotolitografia padrão para definir padrões de eletrodo em SiO2/Si substratos15,16,17. Fonte e o dreno eletrodos feitos de titânio de nm 10 (Ti) ou 100 nm ouro (Au) são fabricados em um substrato de Si 300 nm SiO2/p-type.
    2. Mergulhe o SiO2/Si substrato com pre-modelado eletrodos fonte/dreno para o copo cheio de água DI e anexar para o lado de DTM do filme PMMA/DTM como preparado no passo 3.1.
    3. Asse a amostra a 100 ° C por 3 min, depois que o filme é anexado ao SiO2/Si substrato, para retirar os resíduos de água.
    4. Pinga três gotas de PMMA na amostra com o filme PMMA/DTM para cobrir toda a superfície e fazer o filme mais firmemente ligado ao substrato.
    5. Coloca a amostra em um armário seco eletrônico pelo menos 8 h antes de passar para a próxima etapa.
    6. Encha dois copos de 250ml diferentes com acetona. Mergulhe o exemplo anexado com o filme PMMA/DTM sequencialmente para os dois copos diferentes cheios de acetona para 50 e 10 min, respectivamente, para remover a camada superior de PMMA.
    7. Defina o canal de transistor usando padrão foto-litografia e gravura reativa-íon15,16,17. Porta traseira-MoS2 e WS2/MoS2 hetero-estrutura transistores são fabricados15,16,17. O comprimento do canal e largura dos dispositivos são 5 e 150 μm, respectivamente.
    8. Use um instrumento de sourcemeter do sistema dual-channel para medir as características de corrente-tensão dos transistores15,16,17.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

O espectro Raman e imagens HRTEM transversais do individual MoS2 e WS2 fabricado usando o sulfurization de pre-depositados metais de transição são mostradas na Figura 1a-b17, respectivamente. Observam-se dois picos característicos de Raman para MoS2 e WS2, que correspondem a no plano Equation 1 e fora-de-avião um1G modos de vibração fônon os cristais 2D. A diferença de frequência Δk de dois picos Raman para a amostra de2 MoS é 24,1 cm-1, sugere que o 4-5 camadas de MoS2 foi obtido19. No entanto, é difícil determinar o número da camada possível directamente a partir do grande Δk valor 63,4 cm-1 de WS217. As imagens HRTEM transversais das duas amostras, mostradas na Figura 1-c-d, revelaram que 5-4 camadas MoS2 e WS2 são obtidos para as duas amostras, respectivamente. Os resultados demonstraram que, através de sulfurizing os metais de transição, uniforme e áre MoS2 e WS2 filmes podem ser obtidos.

A imagem HRTEM transversal de 1,0 nm Mo filme sulfurizado sob a condição de deficiente de enxofre é mostrada na Figura 2a, onde observaram-se aglomerados cobertos com camada de alguns cristais 2D. Estes resultados indicaram que os dois mecanismos de crescimento foram observados durante o procedimento de sulfurization15. Sob a condição suficiente de enxofre, enxofre-para-oxigênio reações ocorreram rapidamente tal que planar MoS2 coberto toda a amostra em um curto espaço de tempo. Este filme de2 MoS planar sobre a superfície da amostra poderia evitar mais migração de material tal que um filme de2 MoS uniforme e camada-número-controláveis pode ser obtido após o procedimento de sulfurization. No entanto, quando a amostra foi sulfurizada sob a condição de deficiente de enxofre, o enxofre do fundo não foi suficiente para formar um filme de2 MoS completo, tal que a segregação de óxido de Mo e coalescência foi o mecanismo dominante na fase inicial de crescimento. Neste caso, uma amostra com clusters de óxido Mo coberto por poucos-camada MoS2 seria obtida após o procedimento de sulfurization15. O diagrama esquemático, descrevendo o modelo de sulfurization o metal de transição é mostrado na Figura 2b15. Desde que dois mecanismos de crescimento foram observados durante o procedimento de sulfurization, havia um limite máximo para o número da camada2 MoS com crescimento one-time.

Usando a deposição de metal sequencial com procedimentos sulfurization discutidos acima, um WS2/MoS2 hetero-estrutura única foi preparado após dois procedimentos de deposição de metal de transição/sulfurization. Os espectros Raman e a imagem HRTEM transversal da amostra são mostrados na Figura 3a-b-17. Além da característica Raman picos correspondentes MoS2 e WS2, respectivamente, o número da camada idêntica 9 com o somatório dos WS2 e 5 - e 4-camada individual MoS2 sugere que a amostra era um WS2/ MoS2 hetero-estrutura única. Seguindo os procedimentos de crescimento semelhante, um WS2/MoS2/WS2 duplo hetero-estrutura foi preparado após três processos de deposição de metal de transição/sulfurization. Os espectros Raman e a imagem HRTEM transversal da amostra são mostrados na Figura 3 c-d. Com uma observação similar de MoS2 e WS2 que picos Raman característica discutida acima, observou-se apenas três camadas de cristais 2D para esta amostra. Estes resultados revelaram que a controlabilidade número de camada (a) bom para uma única camada foi obtida para esta técnica de crescimento e (b) um cristal 2D vertical duplo hetero-estrutura pode ser estabelecida em três de espessura de camada atômica16.

Outra amostra com deposição de metal de transição do meio de cobertura foi preparada para mostrar a possibilidade de crescimento seletivo usando a técnica de crescimento discutida neste relatório. Por meio do substrato safira blindagem durante a deposição de Mo 1,0 nm, metade do substrato pode ser coberto com MoS2 após sulfurization. Depois disso, a amostra foi girada 90° para depósito W para cobrir metade do substrato safira. O mesmo procedimento de sulfurization foi realizado novamente. Neste caso, quatro regiões com substrato safira (a) em branco, (b) standalone MoS2, (c) WS2/MoS2 hetero-estrutura e (d) standalone WS2 foram obtidas dentro de um único substrato safira17. As imagens e os espectros Raman de quatro regiões diferentes da amostra são mostrados na Figura 4. Como mostrado na figura, grande área e uniforme WS2 e filmes de2 MoS e suas hetero-estruturas verticais seletivamente foram cultivadas sobre o mesmo substrato de safira. Estes resultados indicaram que, além do estabelecimento de hetero-estruturas verticais, o método de crescimento de metal de transição sulfurization seletivamente cresceu 2D cristais em substratos. Essa flexibilidade pode dar mais espaço para fabricações de dispositivo prático com base em materiais 2D e suas estruturas-hétero.

Para comparar o desempenho do dispositivo dos transistores com o MoS2 e o WS2/MoS2 hetero-estrutura vertical como canais de dispositivo, dois transistores foram fabricadas seguindo o procedimento de fabricação descrito na etapa 3 da protocolo. O diagrama esquemático mostrando o processo de fabricação também é mostrado na Figura 5a. O ID-VGS curvas dos dispositivos no VDS = 10 V são mostrados na Figura 5b. Em comparação com transistor MoS2 , observou-se um aumento de corrente de dreno substancial para o dispositivo de hetero-estrutura. Os valores de efeito de campo mobilidade dos dois dispositivos com MoS2 e WS2/MoS2 hetero-estrutura como os canais extraídos as curvas são 0,27 e 0,69 cm2/V·s, respectivamente. Nossa previsão anterior de injeção eletrônica de WS2 para MoS2 e de canais de concentração de elétrons maiores sob equilíbrio térmico pode ser responsável por esse fenômeno.

Após a deposição de filmes fina de Mo, a amostra foi movido para fora da câmara de pulverização catódica e exposta ao ar. Desde que o filme de Mo é muito fino, ele foi oxidado e formado óxidos Mo rapidamente sob condições ambientais. A curva XPS (espectroscopia de fotoelétron de raios x) da amostra antes do procedimento de sulfurization é mostrado na Figura 6a. Como mostrado na figura, o filme era composto de MoO2 e MoO3 , antes do procedimento de sulfurization. Estes resultados sugerem que o filme Mo foi oxidado durante o procedimento de transferência da câmara de pulverização catódica para o forno quente. Outros documentos de apoio para a formação do cristal 2D hétero-estrutura podem ter vindo de condicionamento seletivo equivalente da hetero-estrutura cristal 2D. Para este efeito, temos demonstrado que a gravura atômica pode ser alcançada para WS2 usando plasma de oxigênio de baixa potência tratamento20e MoS2 . Nós podemos alcançar condicionamento seletivo equivalente à hetero-estrutura vertical, repetindo a camada atômica, gravura de procedimento. O espectro Raman do gravado e un-gravado 4 camadas WS2/3-layer MoS2 hetero-estrutura vertical são mostrados na Figura 6b. Os tempos de gravura de camada atômica foram consistentes com o número da camada de WS2 (4 vezes). As observações de MoS2 e WS2 Raman picos na região da un-gravada e MoS2 sinais apenas na região gravada, sugerem que um hétero-estrutura vertical foi criada usando a técnica de crescimento discutida neste artigo.

Figure 1
Figura 1: Cristais individuais de 2D de MoS2 e WS2. (a, b) Os espectros Raman e imagens (c, d) o HRTEM transversal de standalone MoS2 e WS2, respectivamente,17. As amostras são obtidas por sulfurizing 1,0 nm Mo e W filmes preparados por um sistema de pulverização catódica. Conforme os espectros Raman, dois picos característicos de Raman foram observados para WS2, que correspondeu a no plano e MoS2 Equation 2 e fora-de-plano Equation 3 modos de vibração fônon os cristais 2D. Os números de número de camada de MoS2 e WS2 crescido usando o método discutido no manuscrito atual eram proporcionais às vezes sputtering dos filmes pre-depositados Mo e W. A determinação de sputtering vezes obter MoS2 e WS2 com números exigidos camada baseia-se nas imagens HRTEM transversais das amostras com diferentes tempos de pulverização catódica. No entanto, se os filmes previamente depositados, Mo e W são muito espessos, Mo e W segregação de óxido se tornará o mecanismo de crescimento dominante ao invés do planar MoS2 e crescimento de filme WS2 . Portanto, a proporcionalidade dos números de camada com os tempos de pulverização catódica foi limitada a alguns-camada TMDs. Com as condições de crescimento de MoS2 no manuscrito atual, os números de camada será proporcionais às vezes sputtering quando o filme de2 MoS é menos de 10 camadas. Pulverização catódica são 30 s para o crescimento da camada 5 MoS2. Esta figura foi modificada de Wu et al . 17 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: O modelo de crescimento de metal de transição sulfurization. (um) a seção transversal HRTEM imagem do 1,0 filme nm Mo sulfurizado sob a condição de deficiente de enxofre e (b) o diagrama esquemático, descrevendo o modelo para o metal de transição sulfurization15. As condições de crescimento da amostra preparada com nenhum pó de enxofre colocado na fornalha é referido como a condição de deficiente de enxofre. Desde sempre há resíduo enxofre acumulação perto a jusante da câmara de crescimento após a repetição de ciclos de crescimento, espera-se que uma pequena quantidade de enxofre será ainda difusa na superfície da amostra e resultar em crescimento de MoS2 . No entanto, sob tais condições deficientes de enxofre, nem todos o Mo previamente depositado será transformado em MoS2. Esta figura foi modificada de Wu et al.15. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: MoS2/WS2 single-duplo-hetero-estruturas e. Os espectros Raman e as imagens HRTEM transversais de WS2/MoS2 (a, b) single - e (c, d) hetero-estruturas16,17. Como mostrado no espectro Raman, o plano em Equation 2 e fora-de-plano Equation 3 modos de vibração fônon de MoS2 e WS2 são observados para as hetero-estruturas de cristal 2D. Os painéis foram modificados de Chen et al . e Wu et al . 16 , 17 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: o crescimento seletivo de cristais 2D. As imagens e os espectros Raman de quatro regiões da amostra preparada com depoimentos de metal de transição meia-coberta em um único substrato safira17. Espectros Raman no (a) em branco safira substrato, (b) standalone MoS2, (c) WS2/MoS2 hetero-estrutura e (d) standalone WS2 regiões da amostra revelaram característica Picos Raman. Esta figura foi modificada de Wu et al . 17 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: O desempenho do dispositivo de MoS2 e WS2/MoS2 vertical hétero-estrutura transistores. (um) o processo de fabricação de transistores com o MoS2 e o WS2/MoS2 hetero-estrutura vertical como os canais e (b) o ID-VGS curvas dos dois dispositivos no VDS = 10 V 17. as espessuras de 1,0 nm para Mo e W filmes foram obtidas as leituras do ressonador de cristal de quartzo. As pulverização catódica vezes foram 30 s para ambos os materiais. Esta figura foi modificada de Wu et al . 17 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Oxidação do pre-depositadas filmes de Mo e condicionamento seletivo equivalente da WS2/MoS2 hetero-estruturas verticais. (um) XPS a curva da amostra com o filme Mo previamente depositado antes do procedimento de sulfurization. O filme é composto de MoO2 e MoO3 , antes do procedimento de sulfurization. Estes resultados sugerem que o filme Mo foi oxidado durante o procedimento de transferência da câmara de pulverização catódica para o forno quente. (b) o Raman espectros da gravado e un-gravado 4 camadas WS2/3-layer MoS2 vertical hétero-estrutura. Depois de quatro vezes de gravuras de camada atômica, só os picos de2 MoS foram observados na região gravada; Painel B foi modificado de Chen et al . 20 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Em comparação com materiais semicondutores convencionais como Si e GaAs, a vantagem dos materiais 2D para aplicativos de dispositivo reside na possibilidade de fabricação de dispositivo com corpos muito finas até várias camadas atômicas. Quando a indústria de Si avança para o < 10 nó de tecnologia nm, a alta proporção de fin de Si FET fará com que a arquitetura do dispositivo inadequado para aplicações práticas. Assim, materiais 2D surgiram devido a seu potencial para substituir a Si para aplicativos de dispositivo eletrônico.

Embora o material 2D mais estudado, grafeno, espera-se que excedem os valores de alta mobilidade, sua natureza de bandgap zero tem levado a nenhum estado OFF para os transistores de grafeno. Neste caso, outros materiais 2D como TMDs com valores visíveis bandgap vieram em consideração. Hoje em dia, a abordagem mais comum para obter grande área TMDs é usar a técnica CVD. Embora essa técnica de crescimento fornece filmes de DTM da grande-área e uniformes, a escolha de precursores apropriados e crescimento diferentes temperaturas para diferentes TMDs é desvantajosa para o desenvolvimento de estruturas complicadas como material 2D hetero-estruturas. Neste caso, o sulfurization de metais de transição como discutido neste artigo tornou-se uma abordagem promissora para o estabelecimento da DTM hetero-estruturas. É possível sulfurize TMDs diferentes sob condições semelhantes de sulfurization.

Uma questão importante para o crescimento de materiais 2D é a controlabilidade número de camada. A controlabilidade número de camada do filme2 MoS preparado pela sulfurizing de metais de transição, como discutido neste artigo foi alcançada, controlando as espessuras de película Mo previamente depositadas. A espessura do filme Mo era controlada pelo tempo sputtering. No caso de 30 s de tempo, a espessura da película de Mo que sputtering foi estimada em ~ 1 nm. Após o procedimento sulfurization, cinco camadas de MoS2 devem ser obtidas17. No caso de 10 s sputtering tempo, um mono-camada MoS2 devem ser obtidas16.

A grande limitação deste método de crescimento encontra-se nos números de camada máxima com sulfurization one-time. Conforme discutido na seção anterior, após a deposição de filmes fina de Mo, a amostra foi movido para fora da câmara de pulverização catódica e exposta ao ar. Desde que o filme Mo era muito fino, ele foi oxidado e formado óxidos Mo rapidamente sob a condição de ambiente. Portanto, se o filme Mo previamente depositado for muito espesso, o planar MoS2 não será suficiente para evitar a segregação de óxido Mo durante o procedimento de sulfurization e uma amostra com clusters de multi camada MoS2 cobrindo óxidos Mo será obtida. Com as condições de crescimento adoptadas neste trabalho, o maior número de camada2 MoS era em torno de 10 com um crescimento único ciclo.

Para superar esta desvantagem, se um filme de2 MoS com um número de camada maior do que 10 é necessário, é possível repetir o mesmo processo de crescimento da deposição de metais e sulfurization para obter o filme com o número necessário de camadas11. O sulfurization de metais de transição previamente depositadas proporcionou a possibilidade de crescimento de filme de DTM escalável com número controlabilidade boa camada. Usando essa abordagem, o estabelecimento de hetero-estruturas verticais e crescimento seletivo em substratos de safira também foi demonstrado. A técnica de crescimento discutida neste trabalho marcará um passo importante para a aplicação prática dos cristais 2D. Com o desempenho aprimorado do dispositivo de hetero-estruturas de cristal 2D, 2D materiais podem ser um possível candidato para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos de porte nm. Em um futuro trabalhos, empilhando materiais 2D para estabelecer vários hetero-estruturas para obter diferentes propriedades elétricas e ópticas com material individual será um tema importante para aplicações práticas.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Este trabalho foi financiado em parte por projetos mais 105-2221-E-001-011-MY3 e mais 105-2622-8-002-001 financiado pelo Ministério de ciência e tecnologia, Formosa e em parte pelo projecto focado, financiado pelo centro de pesquisa de ciências aplicadas, 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

Engenharia edição 129 hetero-estruturas de cristal 2D Vertical transição de metal dichalcogenides sulfurization frequência de rádio que sputtering filme transferir transistores
Preparação da grande-área Vertical 2D cristal Hetero-estruturas através da Sulfurization dos filmes de Metal de transição para a fabricação de dispositivo
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