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Engineering

Preparazione di grande superficie 2D cristallo etero-strutture verticali attraverso il Sulfurization di film di metalli di transizione per la fabbricazione di dispositivi

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

Attraverso il sulfurization pre-depositati dei metalli di transizione, etero-strutture di grande superficie e verticale 2D cristallo possono essere fabbricate. La pellicola di trasferimento e procedure di fabbricazione del dispositivo sono anche dimostrate in questo rapporto.

Abstract

Ci hanno dimostrato che attraverso il sulfurization di film di metalli di transizione come molibdeno (Mo) e tungsteno (W), grande area e uniforme del metallo di transizione dichalcogenides (TMDs) MoS2 e WS2 possono essere preparati su substrati dello zaffiro. Controllando gli spessori di film metallico, controllabilità numero buono strato, fino a un singolo strato di TMDs, può essere ottenuto utilizzando questa tecnica di crescita. Sulla base dei risultati ottenuti dal film Mo solforati nella circostanza di carenti di zolfo, ci sono due meccanismi di crescita di2 MoS (un) planare e (b) segregazione di ossido Mo osservata durante la procedura di sulfurization. Quando lo zolfo di sfondo è sufficiente, planare TMD crescita è il meccanismo dominante di crescita, che si tradurrà in una pellicola di2 MoS uniforme dopo la procedura di sulfurization. Se lo zolfo di sfondo è carente, segregazione di ossido Mo sarà il meccanismo dominante di crescita nella fase iniziale della procedura sulfurization. In questo caso, il campione con i cluster di ossido Mo coperto con alcuni strati MoS2 verrà estratto. Dopo sequenziale Mo deposizione/sulfurization e W deposizione/sulfurization procedure, verticale WS2/MoS2 etero-strutture vengono stabilite utilizzando questa tecnica di crescita. Picchi Raman corrispondente al WS2 e MoS2, rispettivamente e il numero di livello identico di etero-struttura con la sommatoria dei singoli materiali 2D hanno confermato la Costituzione ottimale del cristallo 2D verticale Etero-struttura. Dopo aver trasferito la WS2/MoS2 film su un substrato di SiO2/Si con elettrodi pre-modellato fonte/scarico, è realizzato con un transistor di fondo-gate. Confrontato con il transistore con solo MoS2 canali, le correnti di scarico superiore del dispositivo con la WS2/MoS2 etero-struttura che hanno esposto con l'introduzione di etero-strutture cristalline 2D, dispositivo superiore le prestazioni possono essere ottenute. I risultati hanno rivelato il potenziale di questa tecnica di crescita per l'applicazione pratica dei 2D cristalli.

Introduction

Uno degli approcci più comuni per ottenere film 2D cristallo utilizza esfoliazione meccanica da massa materiali1,2,3,4,5. Anche se film 2D cristallo con alta qualità cristallina può essere facilmente ottenuto utilizzando questo metodo, scalabile 2D cristallo film non sono disponibili attraverso questo approccio, che è svantaggioso per applicazioni pratiche. È stato dimostrato in precedenti pubblicazioni che mediante deposizione chimica da vapore (CVD), film di grande superficie e uniforme 2D cristallo può essere preparato6,7,8,9. Crescita diretta di grafene su substrati dello zaffiro e strato-numero-controllabile MoS2 film preparato ripetendo lo stesso ciclo di crescita sono anche dimostrate utilizzando il CVD crescita tecnica10,11. In una recente pubblicazione, WSe in piano2/MoS2 etero-struttura fiocchi sono anche fabbricati usando la tecnica di crescita CVD12. Anche se la tecnica di crescita CVD è promettente nel fornire film 2D scalabile di cristallo, il principale svantaggio di questa tecnica di crescita è che diversi precursori devono trovarsi per diversi cristalli 2D. Le condizioni di crescita variano anche tra diversi cristalli 2D. In questo caso, le procedure di crescita diventerà più complicate quando la domanda cresce per etero-strutture cristalline 2D.

Confrontato con la tecnica di crescita CVD, il sulfurization di metallo di transizione pre-depositato film ha fornito un approccio di crescita simili ma molto più semplice per TMDs13,14. Poiché la procedura di crescita comporta solo deposizione dei metalli e la seguente procedura di sulfurization, è possibile coltivare diversi TMDs attraverso le stesse procedure di crescita. D'altra parte, la controllabilità numero strato dei cristalli 2D può essere ottenuta anche cambiando gli spessori di metallo di transizione pre-depositato. In questo caso, sono necessari per diverse TMDs. controllo numero strato e ottimizzazione della crescita verso il basso per un singolo strato comprendere meccanismi di crescita è anche molto importante per l'istituzione di complicati TMD etero-strutture utilizzando questo metodo.

In questa carta, MoS2 e WS2 film sono preparati sotto procedure di crescita simili della deposizione del metallo seguita dalla procedura sulfurization. Con i risultati ottenuti da sulfurization di film Mo in condizioni di sufficiente e carenti di zolfo, due meccanismi di crescita sono osservati durante la procedura di sulfurization15. Sotto la condizione sufficiente di zolfo, un film di2 MoS uniforme e strato-numero-controllabile può essere ottenuto dopo la procedura di sulfurization. Quando il campione è solforato nella circostanza di carenti di zolfo, lo zolfo di sfondo non è sufficiente a formare un film di2 MoS completo tale che la segregazione di ossido di Mo e coalescenza sarà il meccanismo dominante nelle prime fasi di crescita. Un campione con i cluster di ossido Mo coperta da alcuni strati di MoS2 si ottiene dopo la procedura di sulfurization15. Attraverso deposizione metallica sequenziale e procedure seguenti sulfurization, WS2/MoS2 etero-strutture verticali con il controllabilità numero strato fino a un solo strato può essere preparato15,16. Utilizzando questa tecnica, un campione è ottenuto su un substrato di zaffiro singolo con quattro regioni: (I) in bianco zaffiro substrato, (II) standalone MoS2, (III) WS2/MoS2 etero-struttura e (IV) standalone WS217 . I risultati dimostrano che la crescita tecnica è vantaggiosa per l'istituzione di etero-struttura verticale 2D cristalli ed è capace di una crescita selettiva. Le prestazioni del dispositivo aumentato di etero-strutture cristalline 2D segnerà il primo passo verso le applicazioni pratiche per 2D cristalli.

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Protocol

1. crescita del singolo materiale 2D (MoS2 e WS2)

  1. Deposizione di metalli di transizione utilizzando un RF sputtering sistema
    1. Un substrato2 zaffiro pulito 2 x 2 cm è posto sotto la custodia del campione con il lato lucido verso gli obiettivi del sistema "sputtering" per la deposizione di metalli di transizione. Substrati dello zaffiro sono scelti per la stabilità chimica di zaffiro ad alte temperature e superfici piane atomico.
    2. Pompa giù la camera di sputtering a 3 x 10-6 torr in sequenza utilizzando una pompa meccanica, seguita da una pompa di diffusione.
    3. Iniettare il gas Ar nel sistema "sputtering" e mantenere il flusso del gas a 40 mL/min utilizzando un regolatore di flusso di massa (MFC).
    4. Mantenere la pressione nella camera a 5 x 10-2 torr utilizzando una valvola di regolazione pressione manuale e accendere il plasma di Ar. Mantenere la potenza di uscita a 40 w.
    5. Diminuire la pressione nella camera a 5 x 10-3 torr utilizzando una rotella manuale angolo valvola a fungo.
    6. Aprire l'otturatore tra il substrato di zaffiro e la destinazione di metallo da 2 pollici e iniziare la deposizione dei metalli manualmente. Durante la procedura di deposizione, mantenere la potenza di sputtering a 40 W per Mo e W. La priorità bassa pressione è mantenuta a 5 × 10-3 torr con 40 mL/min flusso di gas Ar.
    7. Controllare il tempo di sputtering di depositare film di metalli di transizione con spessori diversi. A causa dello spessore di metallo sottile, sputtering volte fornirà un controllo migliore sopra lo spessore del film rispetto le letture dal cristallo di quarzo risonatore.
      Nota: I numeri di livello di MoS2 e WS2 coltivati con il metodo illustrato nel manoscritto attuale sono proporzionali ai tempi "sputtering" dei film pre-depositati Mo e W. La determinazione di sputtering volte ottenere MoS2 e WS2 con numeri di livello richiesto si basa sulle immagini di microscopia elettronica (HRTEM) trasmissione ad alta risoluzione a sezione trasversale per campioni con differenti tempi di sputtering. Tuttavia, se le pellicole pre-depositate Mo e W sono troppo spessi, Mo e W la segregazione ossido diventerà il meccanismo dominante crescita, anziché planare MoS2 e crescita di film di WS2 . Di conseguenza, la proporzionalità dei numeri di livello con i tempi "sputtering" è limitata a pochi strati TMDs. Con la condizione di crescita del MoS2 nel manoscritto attuale, i numeri di livello sarà proporzionali all'epoca "sputtering", quando il film2 MoS è meno di 10 strati. La data di sputtering è 30 s per la crescita di 5 strati MoS2.
  2. Il sulfurization del film metalli di transizione
    1. Posizionare i substrati dello zaffiro con film di metallo di transizione pre-depositato al centro di una fornace calda per sulfurization.
    2. Posizionare la polvere di zolfo (S) a Monte del flusso del gas, 2 cm di distanza dalla zona di riscaldamento del forno. In questa posizione, la temperatura di evaporazione per la polvere di S sarà 120 ° C quando la temperatura del substrato aumenta a 800 ° C. Controllare con precisione il peso di polvere di S per metalli di transizione diversi per sulfurization. Nel lavoro, il peso di polvere di S è di 1,5 g per Mo e 1,0 g per W.
      Nota: Determiniamo la quantità di polvere di zolfo per la preparazione di MoS2 e WS2 film basati sui risultati ottenuti per ogni materiale preparato utilizzando diverse quantità di polvere di zolfo.
    3. Mantenere la pressione di fornace a 0,7 torr. Durante la procedura di sulfurization, 130 mL/min gas Ar è stato usato come gas vettore.
    4. Rampa la temperatura del forno da temperatura ambiente a 800 ° C in 40 min con un tasso di rampa di temperatura di 20 ° C/min mantenere la temperatura a 800 ° C fino a quando la polvere di zolfo è completamente evaporata. Dopo di che, il potere del riscaldatore è spento per abbassare la temperatura del forno. Ci vogliono circa 30-40 min per il forno raggiunga la temperatura ambiente da 800 ° C.
  3. Eseguire misure di spettro Raman utilizzando un 488 nm laser15,16,17. Ottenere le immagini a sezione trasversale HRTEM per verificare i numeri di livello del 2D cristalli15,16,17.

2. la crescita della WS2/MoS2 singola Etero-struttura verticale

Nota: Questa sezione è possibile creare una singola Etero-struttura costituita da uno strato di vetro zaffiro con 5 strati di MoS2 e 4 strati di WS2.

  1. Seguire la stessa procedura come passo 1.1. Depositare il film Mo sul substrato di zaffiro utilizzando la RF sputtering sistema con un 30 s sputtering tempo.
  2. Sulfurize il film Mo seguendo le stesse procedure di sulfurization come passo 1.2 per la crescita del MoS2. Cinque strati di MoS2 saranno ottenuti dopo la procedura di sulfurization.
  3. Seguire le stesse procedure come passo 1.1. Depositare il film W su MoS2/zaffiro substrato utilizzando la RF sputtering sistema con un 30 s sputtering tempo.
  4. Sulfurize il film W seguendo lo stesso procedimento di sulfurization di passaggio 1.2 per la crescita di WS2. Quattro strati di WS2 saranno ottenute in cima il MoS2 dopo la procedura di sulfurization.
    Nota: La procedura di deposizione e sulfurization metallo è lo stesso come il singolo materiale. I tempi di "sputtering" dei film Mo e W sono determinati in base ai numeri di livello richiesto di MoS2 e WS2 strati. Double - o multi-hetero-strutture può essere stabilita ripetendo la stessa procedura di crescita. La sequenza di TMDs in etero-strutture verticali può anche essere modificata a seconda della struttura del campione.

3. il trasferimento di Film e procedure di fabbricazione del dispositivo

  1. La pellicola di trasferimento procedura dei film 2D cristallo
    1. Spin cappotto tre gocce di poly(methyl methacrylate) (PMMA) sulla pellicola TMD per coprire l'intero film a temperatura ambiente. La velocità di rotazione di due fasi della trottola sono 500 per 10 s e 800 giri/min per 10 s. Dopo l'indurimento a 120 ° C per 5 min, lo spessore PMMA è intorno a 3 µm.
    2. Il campione PMMA/TMD/zaffiro viene posto in una capsula di Petri che viene riempito con acqua deionizzata (DI).
    3. Staccare un angolo del film PMMA/TMD dal substrato zaffiro utilizzando pinzette in acqua deionizzata.
    4. Scaldare 250 mL di soluzione acquosa di KOH 1 M (14 g di KOH pellet mescolati con 250 mL di acqua) in un becher da 100 ° C. Spostare il campione nella soluzione acquosa KOH riscaldata e continuare peeling il film PMMA/TMD, fino a quando il film è completamente staccato dal substrato. Peeling richiede circa 1 minuto per completare.
    5. Utilizzare un substrato di zaffiro separato per raccogliere il film PMMA/TMD dalla soluzione KOH. Spostare la pellicola in un becher da 250 mL riempito DI acqua per lavare via i residui KOH sulla pellicola. In questa fase, l'adesione tra il film PMMA/TMD e il substrato di zaffiro a scoop il film è debole. Pertanto, il film verrà de-collegato dal substrato dello zaffiro dopo immersione in acqua DI.
    6. Ripetere i passaggi 3.1.4 - 3.1.5 tre volte usando acqua DI nuovo per assicurarsi che la maggior parte del residuo KOH viene rimosso dalla pellicola.
      Nota: L'adesione tra ogni strato TMD è molto più forte di TMDs con il substrato di zaffiro. Di conseguenza, la stessa procedura di trasferimento può applicarsi ai singoli MoS2/WS2 materiali o loro etero-strutture. I film 2D cristallo verranno essere completamente staccati dal substrato, che è simile per il peeling della MoS2/graphene etero-struttura discusso in un precedente pubblicazione18. A seconda dello scopo di trasferire il film, il substrato menzionato in questo passaggio può essere un substrato di zaffiro o un substrato di SiO2/Si con elettrodi pre-depositati, come descritto al punto 3.2. Altri substrati possono anche essere utilizzati per questo scopo.
  2. La fabbricazione di transistor 2D cristallo.
    1. Fotolitografia standard consente di definire modelli di elettrodo SiO2/Si substrati15,16,17. Elettrodi di source e drain di 10 nm titanio (Ti) o 100 nm oro (Au) sono fabbricati su un substrato di Si 300 nm SiO2/p-type.
    2. Immergere il SiO2/Si substrato con pre-modellato fonte/scarico elettrodi nel becher riempito con dell'acqua distillata e fissare al lato TMD del film PMMA/TMD come preparata al punto 3.1.
    3. Cuocere il campione a 100 ° C per 3 min, dopo il film è attaccato al substrato di SiO2/Si, per rimuovere ogni residuo di acqua.
    4. Goccia a goccia tre gocce di PMMA sul campione con il film PMMA/TMD per coprire tutta la superficie e rendere il film più saldamente attaccato al substrato.
    5. Il campione viene posto in un governo asciutto elettronico per almeno 8 h prima di passare al passaggio successivo.
    6. Riempire due bicchieri differenti 250ml con acetone. Immergere il campione fissato con il film PMMA/TMD in sequenza in due diversi bicchieri riempiti con acetone per 50 e 10 min, rispettivamente, per rimuovere lo strato PMMA.
    7. Definire il canale di transistor utilizzando standard foto-litografia e acquaforte reattiva dello ione15,16,17. Retro-cancello MoS2 e WS2/MoS2 etero-struttura transistor sono fabbricati15,16,17. Il canale lunghezza e larghezza dei dispositivi sono 5 e 150 μm, rispettivamente.
    8. Utilizzare uno strumento di sourcemeter sistema dual-channel per misurare le caratteristiche corrente-tensione del transistor15,16,17.

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Representative Results

Lo spettro Raman e le immagini a sezione trasversale HRTEM di singoli MoS2 e WS2 fabbricati usando il sulfurization pre-depositati dei metalli di transizione sono mostrate in Figura 1a-b17, rispettivamente. Due picchi caratteristici di Raman sono osservati per MoS2 e WS2, che corrispondono a in aereo Equation 1 e fuori-di-piano un1g modi di vibrazione di fonone nei cristalli 2D. La differenza di frequenza Δk di due picchi Raman per l'esempio di2 MoS è 24,1 cm-1, che suggerisce che 4-5 strati di MoS2 è stato ottenuto19. Tuttavia, è difficile determinare il numero di eventuale strato direttamente dal grande Δk valore 63,4 cm-1 di WS217. Le immagini a sezione trasversale HRTEM dei due campioni, illustrati nella Figura 1 c-d, hanno rivelato che WS2 e 5 e 4 livello MoS2 sono ottenuti per i due campioni, rispettivamente. I risultati hanno dimostrato che attraverso sulfurizing i metalli di transizione, grande area e uniforme MoS2 e WS2 pellicole possono essere ottenuti.

L'immagine a sezione trasversale HRTEM del 1,0 nm Mo film solforati nella circostanza di carenti di zolfo è mostrato nella Figura 2a, in cui sono stati osservati cluster ricoperto di alcuni strati 2D cristalli. Questi risultati hanno indicato che i due meccanismi di crescita sono stati osservati durante la procedura di sulfurization15. Sotto la condizione sufficiente di zolfo, zolfo per ossigeno reazioni avvenuto rapidamente tale che planare MoS2 coperto l'intero campione in tempi brevi. Questa pellicola di2 MoS planare sulla superficie del campione potrebbe impedire ulteriore migrazione materiale tale che un'uniforme e strato-numero-controllabile MoS2 pellicola potrebbe essere ottenuta dopo la procedura di sulfurization. Tuttavia, quando il campione è stato solforato nella circostanza di carenti di zolfo, lo zolfo di sfondo non era sufficiente a formare un film di2 MoS completo tale che la segregazione di ossido di Mo e coalescenza era il meccanismo dominante nelle prime fasi di crescita. In questo caso, un campione con i cluster di ossido Mo coperta da alcuni strati MoS2 sarebbe ottenuto dopo la procedura di sulfurization15. Il diagramma schematico che descrive il modello della sulfurization di metalli di transizione è illustrato nella Figura 2b15. Poiché due meccanismi di crescita sono stati osservati durante la procedura di sulfurization, c'era un limite superiore per il numero di layer2 MoS con crescita una tantum.

Un WS2/MoS2 singola Etero-struttura utilizzo sequenziale deposizione metallica con le procedure di sulfurization discusse in precedenza, è stato preparato dopo due procedure di deposizione di metalli di transizione/sulfurization. Gli spettri Raman e l'immagine della sezione trasversale HRTEM del campione sono rappresentati in Figura 3a-b17. Oltre alla caratteristica Raman picchi corrispondenti a MoS2 e WS2, rispettivamente, il numero di identico livello 9 con la sommatoria dei singoli 5 - e 4-layer MoS2 e WS2 suggerisce che il campione era un WS2/ MoS2 singola Etero-struttura. A seguito delle procedure di crescita simile, è stato preparato un WS2/MoS2/WS2 doppia etero-struttura dopo tre procedure di deposizione di metalli di transizione/sulfurization. Gli spettri Raman e l'immagine della sezione trasversale HRTEM del campione sono mostrati in Figura 3 c-d. Con una simile osservazione del MoS2 e WS2 che picchi caratteristici Raman discusso in precedenza, solo tre strati di cristalli 2D sono stati osservati per questo esempio. Questi risultati hanno rivelato che il controllabilità numero (a) buon strato fino a un singolo strato è stato ottenuto per questa tecnica di crescita e (b) un cristallo 2D verticale doppia etero-struttura può essere stabilita in tre strati atomici spessore16.

Un altro campione con metà-rivestimento deposizione di metalli di transizione è stato preparato per mostrare la possibilità di crescita selettiva usando la tecnica di crescita discussa in questo rapporto. Da metà del substrato zaffiro schermatura durante la deposizione di Mo 1,0 nm, metà del substrato potrebbe essere coperto con MoS2 dopo sulfurization. Dopo di che, il campione è stato ruotato di 90° per deposito W a coprire la metà del substrato dello zaffiro. La stessa procedura di sulfurization è stata condotta nuovamente. In questo caso, quattro regioni con substrato di zaffiro (a) vuoto, (b) standalone MoS2, (c) WS2/MoS2 etero-struttura e (d) standalone WS2 sono state ottenute all'interno di un singolo substrato zaffiro17. L'immagine e gli spettri Raman delle quattro diverse regioni sul campione sono mostrati in Figura 4. Come illustrato nella figura, grandi superfici e uniforme WS2 e MoS2 film e loro etero-strutture verticali sono state coltivate selettivamente sullo stesso substrato di zaffiro. Questi risultati hanno indicato che oltre all'istituzione di etero-strutture verticali, il metodo di crescita del metallo di transizione sulfurization è cresciuto in modo selettivo di 2D cristalli su substrati. Questa flessibilità può dare più spazio a invenzioni di dispositivo pratico basati su materiali 2D e loro etero-strutture.

Per confrontare le prestazioni del dispositivo dei transistori MoS2 e la WS2/MoS2 etero-struttura verticale come canali di dispositivi, due transistori sono stati fabbricati seguendo la procedura di fabbricazione descritta nel passaggio 3 del protocollo. Il diagramma schematico che mostra la procedura di fabbricazione è inoltre indicato in Figura 5a. ID-VGS curve dei dispositivi presso VDS = 10 V sono mostrati in Figura 5b. Rispetto ai transistor MoS2 , un aumento di corrente scarico sostanziale è stato osservato per il dispositivo di etero-struttura. I valori di effetto di campo mobilità dei due dispositivi con MoS2 e WS2/MoS2 etero-struttura come i canali estratti dalle curve sono 0,27 e 0,69 cm2/V·s, rispettivamente. Nostra precedente previsione di iniezione di elettroni da WS2 a MoS2 e da canali con concentrazione maggiore dell'elettrone in equilibrio termico potrebbe essere responsabile di questo fenomeno.

Dopo la deposizione di film sottile Mo, il campione è stato spostato dalla camera di sputtering ed esposto all'aria. Poiché il film Mo è molto sottile, esso è stato ossidato e forma ossidi di Mo rapidamente a condizioni ambientali. La curva XPS (spettroscopia fotoelettronica a raggi x) del campione prima che la procedura di sulfurization è mostrato in Figura 6a. Come illustrato nella figura, il film è stato composto di MoO2 e MoO3 prima della procedura di sulfurization. Questi risultati indicano che il film di Mo è stato ossidato durante la procedura di trasferimento dal vano di sputtering a forno caldo. Gli altri elementi di prova per la formazione di etero-struttura cristallina 2D possono provenire dall'equivalente Acquaforte selettiva della etero-struttura cristallina 2D. Per questo scopo, abbiamo dimostrato che acquaforte atomico può essere raggiunto per MoS2 e WS2 utilizzando basso consumo ossigeno plasma trattamento20. Possiamo ottenere equivalente Acquaforte selettiva di etero-struttura verticale ripetendo lo strato atomico acquaforte procedura. Lo spettro Raman della ONU-acidato e acidato 4 strati WS2/3-layer MoS2 etero-struttura verticale sono mostrati in Figura 6b. I tempi di incisione di strato atomico erano costanti con il numero di layer di WS2 (4 volte). Le osservazioni del MoS2 e WS2 Raman picchi sulla regione ONU-acidata e MoS2 segnali solo sulla regione acidata, suggeriscono che un'etero-struttura verticale è stata stabilita utilizzando la tecnica di crescita discussa in questa carta.

Figure 1
Figura 1: Singoli cristalli 2D di MoS2 e WS2. (a, b) Gli spettri Raman e (c, d) la sezione trasversale HRTEM immagini di standalone MoS2 e WS2, rispettivamente17. I campioni sono ottenuti da sulfurizing 1,0 nm Mo e W film preparato da un sistema di sputtering. Come illustrato negli spettri Raman, due picchi Raman caratteristici sono stati osservati per MoS2 e WS2, che ha corrisposto ad in-plane Equation 2 e fuori-di-piano Equation 3 modi di vibrazione di fonone nei cristalli 2D. I numeri del numeri di livello di MoS2 e WS2 coltivati con il metodo illustrato nel manoscritto corrente erano proporzionali ai tempi "sputtering" dei film pre-depositati Mo e W. La determinazione di sputtering volte ottenere MoS2 e WS2 con numeri di livello richiesto si basa sulle immagini a sezione trasversale HRTEM per campioni con differenti tempi di sputtering. Tuttavia, se le pellicole pre-depositate Mo e W sono troppo spessi, Mo e W la segregazione ossido diventerà il meccanismo dominante crescita invece del planar MoS2 e la crescita di film di WS2 . Di conseguenza, la proporzionalità dei numeri di livello con i tempi "sputtering" era limitata a pochi strati TMDs. Con le condizioni di crescita di MoS2 nel manoscritto attuale, i numeri di livello sarà proporzionali all'epoca "sputtering", quando il film2 MoS è meno di 10 strati. La data di sputtering è 30 s per la crescita di 5 strati MoS2. Questa figura è stata modificata da Wu et al. 17 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: il modello di crescita di metalli di transizione sulfurization. (a) la sezione trasversale HRTEM immagine del 1,0 nm Mo film solforati sotto la condizione di carente di zolfo e (b) diagramma schematico che descrive il modello per i metalli di transizione sulfurization15. Le condizioni di crescita del campione preparato senza polvere di zolfo introdotti nel forno si riferisce a come la condizione carenti di zolfo. Poiché c'è sempre un accumulo di zolfo residuo vicino a valle della camera di crescita dopo ripetuti cicli di crescita, si prevede che una piccola quantità di zolfo sarà ancora diffusa per la superficie del campione e portare ad una crescita di2 MoS. Tuttavia, in tali condizioni carenti di zolfo, non tutti i Mo pre-depositato si trasformerà in MoS2. Questa figura è stata modificata da Wu et al.15. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: MoS2/WS2 singolo-doppio-etero-strutture e. Gli spettri Raman e le immagini a sezione trasversale HRTEM WS2/MoS2 (a, b) singolo - e (c, d) etero-strutture16,17. Come mostrato nello spettro Raman, l'aereo in Equation 2 e fuori-di-piano Equation 3 modi di vibrazione di fonone di MoS2 e WS2 si osservano per l'etero-strutture cristalline 2D. I pannelli sono stati modificati da Chen et al e Wu et al. 16 , 17 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: crescita selettiva dei cristalli 2D. L'immagine e gli spettri Raman delle quattro regioni del campione preparato con metà-copertura deposizioni di metalli di transizione su un substrato di zaffiro singolo17. Spettri Raman in (un) vuoto substrato dello zaffiro, (b) standalone MoS2, (c) tra le regioni con il WS2/MoS2 etero-struttura e (d) standalone WS2 del campione ha rivelato la caratteristica Raman picchi. Questa figura è stata modificata da Wu et al. 17 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Le prestazioni del dispositivo di MoS2 e WS2/MoS2 transistor etero-struttura verticale. (a) la procedura di fabbricazione dei transistori MoS2 e il WS2/MoS2 etero-struttura verticale come i canali e (b) la ID-VGS curve dei due dispositivi a VDS = 10 V 17. gli spessori di 1.0 nm per film Mo e W sono stati ottenuti dalle letture del cristallo di quarzo risonatore. I tempi di "sputtering" erano 30 s per entrambi i materiali. Questa figura è stata modificata da Wu et al. 17 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: L'ossidazione di pellicole pre-depositate Mo e l'equivalente Acquaforte selettiva di etero-strutture verticali WS2/MoS2 . (un) il notebook XPS curva del campione con il film Mo pre-depositato prima della procedura di sulfurization. Il film è composto di MoO2 e MoO3 prima della procedura di sulfurization. Questi risultati indicano che il film di Mo è stato ossidato durante la procedura di trasferimento dal vano di sputtering a forno caldo. (b) The Raman spectra della ONU-acidata e acidata 4 strati WS2/3-layer MoS2 etero-struttura verticale. Dopo quattro volte di acqueforti di strato atomico, soltanto i picchi di2 MoS sono stati osservati sulla regione acidata; Pannello B è stato modificato da Chen et al. 20 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Il vantaggio di materiali 2D per applicazioni dispositivo rispetto ai materiali semiconduttori convenzionali, come Si e GaAs, risiede nella possibilità di fabbricazione di dispositivi con corpi molto sottile verso il basso per diversi strati atomici. Quando l'industria Si avanza nel < 10 nodo di tecnologia nm, le proporzioni elevate della pinna Si FET renderà l'architettura del dispositivo inadatto per applicazioni pratiche. Così, materiali 2D sono emerse a causa del loro potenziale per sostituire Si applicazioni per dispositivi elettronici.

Anche se il materiale 2D più studiato, grafene, dovrebbe presentare valori di alta mobilità, sua zero natura bandgap ha portato a nessun stato OFF per i transistor di grafene. In questo caso, altri materiali 2D come TMDs con valori visibili bandgap venuti in considerazione. Al giorno d'oggi, l'approccio più comune per ottenere grandi superfici TMDs consiste nell'utilizzare la tecnica CVD. Anche se questa tecnica di crescita fornire film TMD di grande superficie e uniforme, la scelta dei precursori appropriati e temperature di crescita diversi per differenti TMDs è svantaggiosa per lo sviluppo di strutture complesse quali materiale 2D etero-strutture. In questo caso, il sulfurization di metalli di transizione come discusso in questo libro è diventato un promettente approccio per la creazione di TMD etero-strutture. È possibile sulfurize TMDs diversi in condizioni simili di sulfurization.

Un importante problema per la crescita dei materiali 2D è la controllabilità di numero di strati. La controllabilità di numero di strato del MoS2 film preparato da sulfurizing metalli di transizione, come discusso in questo articolo è stato raggiunto controllando gli spessori di film Mo pre-depositati. Lo spessore del film Mo era controllato dal momento "sputtering". Nel caso di 30 s sputtering tempo, lo spessore del film di Mo è stata stimata per essere ~ 1 nm. Dopo la procedura di sulfurization, cinque strati di MoS2 dovrebbero essere ottenute17. Nel caso di 10 s sputtering tempo, un mono-strato MoS2 dovrebbe essere ottenuta16.

La limitazione principale di questo metodo di crescita si trova ai numeri di massimo livello con una tantum sulfurization. Come discusso nella sezione precedente, dopo la deposizione di film sottile Mo, il campione è stato spostato dalla camera di sputtering ed esposto all'aria. Poiché il film Mo era molto sottile, esso è stato ossidato e forma ossidi di Mo rapidamente sotto la condizione ambientale. Pertanto, se il film Mo pre-depositato è troppo spesso, il planar MoS2 non sarà sufficiente a prevenire la segregazione ossido Mo durante la procedura di sulfurization, e otterrà un campione con grappoli di multistrato MoS2 che copre di ossidi di Mo. Condizioni di crescita adottate in questa carta, il più alto numero di layer2 MoS era intorno alle 10 con un aumento una tantum del ciclo.

Per superare questo svantaggio, se un film2 MoS con un numero di livello maggiore di 10 è necessario, è possibile ripetere la stessa procedura di crescita di deposizione dei metalli e sulfurization per ottenere la pellicola con il numero di strati11. Il sulfurization pre-depositati dei metalli di transizione ha fornito la possibilità di crescita di film TMD scalabile con numero controllabilità buona ovaiola. Utilizzando questo approccio, l'istituzione di etero-strutture verticali e selettivo di crescita su substrati dello zaffiro inoltre è stata dimostrata. La tecnica di crescita discussa in questa carta segnerà un importante passo verso l'applicazione pratica dei 2D cristalli. Con la prestazione avanzata dei dispositivi di etero-strutture cristalline 2D, 2D materiali possono essere un possibile candidato per lo sviluppo di dispositivi elettronici di dimensioni nm. In futuro lavori, accatastamento materiali 2D stabilire vari etero-strutture per ottenere diverse proprietà ottiche ed elettriche con singolo materiale sarà un tema importante per applicazioni pratiche.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato sostenuto in parte da progetti più 105-2221-E-001-011-MY3 e più 105-2622-8-002-001 finanziato dal Ministero della scienza e tecnologia, Taiwan e in parte dal progetto focalizzato finanziato dal centro di ricerca per le scienze applicate, 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

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References

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Ingegneria problema 129 etero-strutture di cristallo 2D verticale transizione metallo sulfurization dichalcogenides transistori radiofrequenza sputtering pellicola di trasferimento
Preparazione di grande superficie 2D cristallo etero-strutture verticali attraverso il Sulfurization di film di metalli di transizione per la fabbricazione di dispositivi
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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).

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