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Préparation de grande surface verticales Crystal hétéro-structures 2D par l’intermédiaire de la sulfuration de Films de métaux de Transition pour la Fabrication de dispositifs

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

Par le biais de la sulfuration de métaux de transition antérieur, Hétéro-structures en cristal 2D de grande surface et verticale peuvent être fabriqués. Le film transfert et les procédures de fabrication de dispositif sont également illustrés dans ce rapport.

Abstract

Nous ont démontré que par le biais de la sulfuration de métaux de transition des films tels que le molybdène (Mo) et du tungstène (W), grande surface et uniforme des métaux de transition multiples (TMDs) MoS2 et WS2 peuvent être préparés sur des substrats de saphir. En contrôlant les épaisseurs de film métallique, contrôlabilité numéro bonne couche, à une seule couche de PTM, peut être obtenue à l’aide de cette technique de croissance. Basé sur les résultats obtenus par le film de Mo sulfurisé sous la condition déficiente de soufre, il existe deux mécanismes de croissance de2 MoS b planaire et (b) la ségrégation oxyde Mo observée au cours de la procédure de sulfuration. Lorsque le soufre de fond est suffisant, la croissance TMD planaire est le mécanisme de croissance dominante, qui se traduira par un film de2 MoS uniform après l’intervention de sulfuration. Si le soufre de fond est déficient, ségrégation oxyde Mo sera le mécanisme de croissance dominante à l’étape initiale de la procédure de sulfuration. Dans ce cas, l’échantillon avec des grappes d’oxyde Mo recouverts de couches peu MoS2 sera obtenu. Une fois séquentiel Mo dépôts/sulfuration et les procédures de dépôt/sulfuration W, vertical WS2/MoS2 hétéro-structures établies à l’aide de cette technique de croissance. Raman pics correspondant aux WS2 et MoS2, respectivement et le nombre de couche identique de l’hétéro-structure avec la somme des différentes matières 2D ont confirmé la mise en place réussie du cristal 2D vertical hétéro-structure. Après le transfert de la WS2film2 /MoS sur un substrat de /Si SiO2avec électrodes pré motifs source/drain, un transistor à grille inférieure est fabriqué. En comparaison avec le transistor avec seulement les canaux de2 MoS, les courants plus élevés de la vidange de l’appareil avec la WS2/MoS2 hétéro-structure ont qu’exposées avec l’introduction de cristal 2D hétéro-structures, dispositif supérieur efficacité peut être obtenue. Les résultats ont révélé le potentiel de cette technique de croissance pour l’application pratique des cristaux 2D.

Introduction

Une des approches plus courantes pour obtenir les films cristal 2D utilise une exfoliation mécanique de gros matériaux1,2,3,4,5. Bien que les films cristal 2D avec cristallin de haut qualité peuvent être facilement obtenus à l’aide de cette méthode, scalable 2D crystal films ne sont pas disponibles par le biais de cette approche, ce qui est désavantageuse pour les applications pratiques. Dans des publications antérieures, il a été démontré qu’en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), uniforme et de grande surface cristal 2D films peuvent être préparé6,7,8,9. La croissance directe du graphène sur substrats de saphir et couche-nombre-contrôlable MoS2 films en répétant le même cycle de croissance sont également démontrée à l’aide de la CVD croissance technique10,11. Dans une publication récente, dans le plan WSe2/MoS2 hétéro-structure flocons sont également fabriqués en utilisant la CVD croissance technique12. Bien que la technique de la croissance de CVD est prometteuse dans la fourniture de films cristal 2D évolutive, l’inconvénient majeur de cette technique de croissance est que différents précurseurs doivent être situé pour différents cristaux 2D. Les conditions de croissance varient également entre les différents cristaux 2D. Dans ce cas, les processus de croissance vont devenir plus compliqués quand la demande se développe pour les hétéro-structures cristallines 2D.

Par rapport à la technique de la croissance de CVD, la sulfuration de métaux de transition antérieur films a fourni une approche similaire mais beaucoup plus simple de la croissance pour TMDs13,14. Étant donné que le procédé de croissance implique seulement dépôt métallique et la procédure suivante de sulfuration, c’est possible de faire pousser différentes TMDs à travers les même processus de croissance. En revanche, la contrôlabilité numéro de couche des cristaux 2D peut également être atteint en changeant les épaisseurs de métal de transition antérieur. Dans ce cas, contrôle numéro optimisation et couche de croissance vers le bas pour une seule couche sont nécessaires pour différentes TMDs. comprendre les mécanismes de croissance est également très important pour la mise en place de TMD hétéro-structures complexes à l’aide de cette méthode.

Dans cette étude, le MoS2 et le WS2 films sont préparés selon des procédures similaires de croissance des dépôts métalliques suivie par la procédure de sulfuration. Avec les résultats obtenus par la sulfuration de films Mo dans les conditions suffisantes et déficient de soufre, les deux mécanismes de croissance sont observées au cours de la procédure de sulfuration15. En vertu de la condition suffisante de soufre, un film de2 MoS uniform et couche-nombre-contrôlable peut être obtenu après la procédure de sulfuration. Lorsque l’échantillon est sulfurisé sous la condition de soufre déficient, le soufre de fond n’est pas suffisant pour former un film de2 MoS complète telle que la ségrégation de l’oxyde de Mo et coalescence sera le mécanisme dominant dès les premiers stades de croissance. Un échantillon avec des grappes d’oxyde Mo couverts par quelques couches de MoS2 sera obtenu après la procédure de sulfuration15. Par le biais de metallisation séquentielle et procédures suivantes de sulfuration, WS2/MoS2 hétéro-structures verticales avec contrôlabilité numéro de couche vers le bas pour une seule couche peut être préparé15,16. En utilisant cette technique, un échantillon est prélevé sur un même substrat de saphir avec quatre régions : (I) substrat de saphir, (II) standalone MoS2, (III) WS2/MoS2 hétéro-structure et (IV) standalone WS217 vierges . Les résultats démontrent que la technique de croissance est avantageuse pour la mise en place de cristal 2D vertical hétéro-structure et est capable d’une croissance sélective. Les performances du dispositif amélioré de cristal 2D hétéro-structures marquera la première étape vers des applications pratiques pour les cristaux 2D.

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Protocol

1. la croissance de chaque matériel 2D (MoS2 et WS2)

  1. Dépôts de métaux de transition utilisant un RF sputtering système
    1. Un substrat de2 saphir propre 2 x 2 cm est placé sur le porte-échantillon avec le côté brillant vers les cibles du système de pulvérisation pour la déposition de métaux de transition. Substrats de saphir sont choisis en raison de la stabilité chimique de sapphire à hautes températures et surfaces atomique à plat.
    2. Pompe vers le bas de la chambre de pulvérisation de 3 x 10-6 torr successivement à l’aide d’une pompe mécanique, suivie d’une pompe à diffusion.
    3. Injecter le gaz Ar dans le système de pulvérisation et de maintenir le flux de gaz à 40 mL/min à l’aide d’un contrôleur de débit massique (MFC).
    4. Maintenir la pression dans la chambre à 5 x 10-2 torr à l’aide d’une vanne de régulation de pression manuelle et enflammer le plasma Ar. Maintenir la puissance de sortie à 40 w.
    5. Diminuer la pression dans la chambre à 5 x 10-3 torr en utilisant une roue manuelle Angle soupape.
    6. Ouvrir l’obturateur entre le substrat de saphir et de la cible métallique de 2 pouces et commencer la METALLISATION manuellement. Au cours de la procédure de dépôt, maintenir la puissance ionique à 40 W pour les Mo et W. La pression de fond est maintenue à 5 × 10-3 torr avec 40 mL/min débit de gaz Ar.
    7. Contrôler la durée de pulvérisation pour déposer des films de métaux de transition avec différentes épaisseurs. En raison de l’épaisseur du métal mince, pulvérisation fois offrira mieux maîtriser l’épaisseur du film que les lectures de la résonateur à quartz.
      Remarque : Le nombre de couche de MoS2 et WS2 cultivés à l’aide de la méthode décrite dans le manuscrit actuel est proportionnel aux fois PULVERISATION des films Mo et W prédéposés. La détermination de pulvérisation fois afin d’obtenir des MoS2 et WS2 avec numéros de couche requise est basée sur les images de microscopie électronique (HRTEM) transversale de transmission à haute résolution pour des échantillons à différents moments de pulvérisation. Toutefois, si les films prédéposés de Mo et W sont trop épais, ségrégation oxyde Mo et W deviendra le mécanisme de croissance dominante, au lieu de planaires MoS2 et WS2 film croissance. Par conséquent, la proportionnalité des numéros de couche avec son temps de pulvérisation est limitée à quelques couches TMDs. À la condition de croissance de MoS2 dans le manuscrit actuel, le nombre de couche sera proportionnel aux fois pulvérisation quand le film de2 MoS est moins de 10 couches. Le temps de pulvérisation est 30 s pour la croissance des 5 couches MoS2.
  2. La sulfuration du film métal de transition
    1. Placer les substrats de saphir avec des films de métaux de transition antérieur au centre d’un four chaud de sulfuration.
    2. Placez la poudre de soufre (S) en amont de l’écoulement de gaz, 2 cm de distance de la zone de chauffage du four. Dans cette position, la température d’évaporation pour la poudre de S sera 120 ° C lorsque la température du substrat augmente à 800 ° C. Contrôler avec précision le poids de poudre S pour différents métaux de transition de sulfuration. Dans le travail, le poids de poudre de S est de 1,5 g pour Mo et 1,0 g pour W.
      Remarque : Nous déterminons les quantités de poudre de soufre pour la préparation de MoS2 puis WS2 films sur les résultats obtenus pour chaque matériel préparé à l’aide de différentes quantités de poudre de soufre.
    3. Maintenir la pression du four à 0,7 torr. Au cours de la procédure de sulfuration, 130 mL/min gaz Ar a été utilisé comme gaz vecteur.
    4. Rampe de la température du four à 800 ° C en 40 min depuis la température ambiante avec un taux de rampe de température de 20 ° C/min. maintenir la température à 800 ° C jusqu'à ce que la poudre de soufre est complètement évaporée. Après cela, la puissance de chauffage est éteint pour abaisser la température du four. Il faut environ 30 à 40 min pour le four à température ambiante de 800 ° C.
  3. Effectuer des mesures de spectre Raman en utilisant un 488 nm laser15,16,17. Obtenir les images en coupe transversale HRTEM pour apurer le calque des cristaux 2D15,16,17.

2. la croissance de la WS2/MoS2 seul hétéro-structure verticale

Remarque : Cette section est utilisée pour créer une seule hétéro-structure consistant en une couche de glace saphir avec 5 couches de MoS2 et 4 couches de WS2.

  1. Suivez la même procédure que l’étape 1.1. Déposer le film Mo sur le substrat de saphir à l’aide de la RF sputtering système avec un 30 s temps de pulvérisation cathodique.
  2. Sulfurize le film Mo suivant les mêmes procédures de sulfuration comme étape 1.2 pour la croissance de MoS2. Cinq couches de MoS2 seront obtenus après l’intervention de sulfuration.
  3. Suivez les mêmes procédures que l’étape 1.1. Déposer le film W sur le MoS2/saphir substrat à l’aide de la RF sputtering système avec un 30 s temps de pulvérisation cathodique.
  4. Sulfurize le film W suivant la même procédure de sulfuration de l’étape 1.2 pour la croissance de WS2. Quatre couches de WS2 pourra être obtenus sur le dessus de la MoS2 après l’intervention de sulfuration.
    Remarque : La procédure de dépôt et sulfuration métallique est le même que le matériel individuel. Les temps de pulvérisation des films Mo et W sont déterminés selon le nombre de couches requises de MoS2 et WS2 couches. Double - ou multi-hetero-structures peut être établie en répétant la même procédure de croissance. La séquence de la CMT en l’hétéro-structures verticales peut également être modifiée selon la structure de l’échantillon.

3. le transfert de Film et les procédures de Fabrication de dispositif

  1. Le film transfert procédure des films cristal 2D
    1. Essorage manteau trois gouttes de poly(methyl methacrylate) (PMMA) sur le film TMD pour couvrir tout le film à température ambiante. Les vitesses de rotation de deux étages de la casserole sont 500 tr/min pendant 10 s et 800 tr/min pendant 10 s. Après cuisson à 120 ° C pendant 5 min, l’épaisseur PMMA est autour de 3 µm.
    2. Placer l’échantillon PMMA/TMD/saphir dans une boîte de Pétri qui est rempli avec de l’eau désionisée (DI).
    3. Décoller un coin du film PMMA/TMD du saphir substrat à l’aide de la pince à épiler dans l’eau distillée.
    4. Faire chauffer 250 mL de solution aqueuse de KOH M (boulettes KOH 14 g mélangés avec 250 mL d’eau) dans un bécher de 100 ° c. Déplacer l’échantillon dans la solution aqueuse de KOH chauffée et continuer à éplucher le film PMMA/PTM jusqu'à ce que le film est complètement décollée du substrat. Peeling nécessite environ 1 min pour terminer.
    5. Utiliser un substrat de saphir distinct pour ramasser le film PMMA/PTM de la solution KOH. Déplacer le film dans un bécher de 250 mL rempli d’eau DI à laver les résidus KOH sur le film. À ce stade, l’adhérence entre le film PMMA/TMD et le substrat de saphir pour ramasser le film est faible. Par conséquent, le film attachera hors du substrat de saphir après immersion dans l’eau de DI.
    6. Répétez les étapes 3.1.4 - 3.1.5 trois fois à l’aide de nouvelles sources d’eau DI pour s’assurer que la majeure partie du résidu KOH est supprimée du film.
      Remarque : L’adhérence entre chaque couche TMD est beaucoup plus forte que TMDs avec le substrat de saphir. Par conséquent, la même procédure de transfert peut être applique à individuels MoS2/WS2 matériaux ou leurs hétéro-structures. Les films cristal 2D vont être complètement décortiquées du substrat, qui est semblable à l’épluchage de la MoS2/graphene hétéro-structure discutée dans une précédente publication18. Selon le but de transférer le film, le substrat mentionné dans cette étape peut être un substrat de saphir ou un substrat /Si SiO2électrodes antérieur, tel que décrit à l’étape 3.2. Autres substrats peuvent également être utilisés à cet effet.
  2. La fabrication de transistors cristal 2D.
    1. Photolithographie standard permet de définir des modèles d’électrodes sur SiO2/Si substrats15,16,17. Les électrodes source et de drain de 10 nm titane (Ti) ou 100 or nm (Au) sont fabriqués sur un substrat de Si 300 nm SiO2/p-type.
    2. Immerger la SiO2/Si substrat avec des motifs électrodes source/drain dans le bécher rempli d’eau DI et fixez sur le côté TMD du film PMMA/PTM, tel qu’établi à l’étape 3.1.
    3. Cuire au four de l’échantillon à 100 ° C pendant 3 min, après que le film est attaché au substrat /Si SiO2, pour enlever les résidus de l’eau.
    4. Appliquez trois gouttes de PMMA sur l’échantillon avec le film PMMA/TMD pour couvrir toute la surface et rendre le film plus fermement attaché au substrat.
    5. Placer l’échantillon dans un boîtier électronique sec pendant au moins 8 h avant de passer à l’étape suivante.
    6. Remplir deux béchers différents 250 mL avec de l’acétone. Immergez l’échantillon fixé avec le film PMMA/PTM successivement dans les deux béchers différents remplis d’acétone pour 50 et 10 min, respectivement, pour enlever la couche supérieure de PMMA.
    7. Définir le canal du transistor à l’aide de photo standard-lithographie et gravure ionique réactive15,16,17. Porte arrière MoS2 et WS2hétéro-structure /MoS2 transistors sont fabriquées15,16,17. La longueur de la chaîne et la largeur des dispositifs sont respectivement 5 et 150 μm.
    8. Utiliser un instrument de sourcemeter système bicanal pour mesurer les caractéristiques courant-tension des transistors à15,16,17.

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Representative Results

Le spectre Raman et les images en coupe transversale HRTEM individuels MoS2 et WS2 fabriqué en utilisant la sulfuration de métaux de transition antérieur sont indiquées dans la Figure 1 a-b17, respectivement. On observe deux pics caractéristiques de Raman pour MoS2 et WS2, qui correspondent dans le plan Equation 1 et hors-plan A1 g modes propres de vibration phonon dans les cristaux 2D. La différence de fréquence Δk de deux pics de Raman pour l’échantillon de2 MoS est 24,1 cm-1, ce qui suggère que les 4 et 5 couches de MoS2 a été obtenu19. Toutefois, il est difficile de déterminer le nombre de couche possible directement à partir de la grande Δk valeur 63,4 cm-1 WS217. Les images HRTEM transversales des deux échantillons, illustrés à la Figure 1C-d, ont révélé que les couche 5 et 4 MoS2 et WS2 sont obtenus pour les deux échantillons, respectivement. Les résultats ont montré que, par le biais de sulfurizing les métaux de transition, la grande surface et uniforme MoS2 et le WS2 films peuvent être obtenues.

L’image HRTEM transversale du 1,0 nm Mo film sulfurisé sous la condition déficiente de soufre est montré l' Figure 2 a, dans laquelle les amas recouverts de quelques couches de cristaux 2D ont été observés. Ces résultats indiquent que deux mécanismes de croissance ont été observées au cours de la procédure de sulfuration15. Sous la condition suffisante de soufre, soufre-oxygène pour les réactions ont lieu rapidement tels que planaire MoS2 couvert l’ensemble de l’échantillon en peu de temps. Ce film de2 MoS plan sur la surface de l’échantillon pourrait prévenir d’autres migrations matérielles tels qu’un film de2 MoS uniform et couche-nombre-contrôlable pourrait être obtenu après l’intervention de sulfuration. Toutefois, lorsque l’échantillon était sulfurisé sous la condition de soufre déficient, le soufre de fond n’était pas suffisant pour former un film de2 MoS complète telle que la ségrégation de l’oxyde de Mo et la coalescence est le mécanisme dominant dès les premiers stades de croissance. Dans ce cas, un échantillon avec des grappes d’oxyde Mo couverts par quelques couches MoS2 obtiendrait après la procédure de sulfuration15. Le schéma décrivant le modèle de la sulfuration de métal de transition est illustré à la Figure 2 b15. Étant donné que deux mécanismes de croissance ont été observées au cours de la procédure de sulfuration, il y avait une limite supérieure pour le nombre de couche de2 MoS avec croissance unique.

Un WS2/MoS2 hétéro-structure unique à l’aide de metallisation séquentielle avec les procédures de sulfuration discutés plus haut, a été préparé après deux procédures de dépôts de métaux de transition/sulfuration. Les spectres Raman et l’image HRTEM transversale de l’échantillon sont indiqués dans la Figure 3 a-b17. En plus de la caractéristique Raman pics correspondant aux MoS2 et WS2, respectivement, le nombre de couches identiques 9 avec la sommation de la couche 4 et 5 individuels MoS2 et WS2 suggère que l’échantillon était un WS2/ MoS2 seule hétéro-structure. Selon des procédures similaires de croissance, un WS2/MoS2/WS2 hétéro-structure double a été préparée après trois procédures de dépôts de métaux de transition/sulfuration. Les spectres Raman et l’image HRTEM transversale de l’échantillon sont indiqués dans la Figure 3 c-d. Avec une observation similaire de MoS2 et WS2 que pics Raman caractéristique indiqué plus haut, seulement trois couches de cristaux 2D ont été observés à cet exemple. Ces résultats ont révélé que la contrôlabilité numéro b bonne couche vers le bas pour une seule couche a été obtenue pour cette technique de croissance et (b) un cristal 2D vertical hétéro-structure double peut être établie dans trois couches atomiques épaisseur16.

Un autre échantillon présentant des dépôts de métaux de transition de moitié-revêtement a été préparé pour montrer la possibilité d’une croissance sélective en utilisant la technique de croissance étudiée dans ce rapport. En protégeant la moitié du saphir substrat durant la déposition de Mo 1,0 nm, la moitié du substrat pouvait être couverte de MoS2 après sulfuration. Après cela, l’échantillon a été tourné à 90° de dépôt W pour couvrir la moitié du substrat saphir. La même procédure de sulfuration a été menée à nouveau. Dans ce cas, quatre régions avec substrat de saphir (a) vide, (b) standalone MoS2, (c) WS2/MoS2 hétéro-structure et autonome (d) WS2 ont été obtenues au sein d’un même substrat de saphir17. L’image ainsi que les spectres Raman des quatre différentes régions sur l’échantillon sont indiqués à la Figure 4. Comme le montre la figure, grande surface et uniforme WS2 MoS2 films et leurs hétéro-structures verticales ont été sélectivement cultivés sur le même substrat de saphir. Ces résultats ont indiqué qu’outre la mise en place de hétéro-structures verticales, la méthode de la croissance des métaux de transition sulfuration grandit sélectivement cristaux 2D sur des substrats. Cette souplesse peut donner plus de place aux fabrications de dispositif pratique basées sur leurs hétéro-structures et matériaux 2D.

Pour comparer la performance de l’appareil des transistors MoS2 et le WS2/MoS2 hétéro-structure verticale comme canaux de l’appareil, les deux transistors ont été fabriqués suivant la procédure de fabrication décrite à l’étape 3 de la Protocole. Le diagramme schématique montrant la procédure de fabrication est également indiqué dans la Figure 5 a. La j’aiD-VGS courbes des dispositifs à VDS = 10 V sont indiquées dans la Figure 5 b. Par rapport à transistor MoS2 , une augmentation du courant drain substantiel a été observée pour le périphérique de l’hétéro-structure. Les valeurs de l’effet de champ mobilité des deux dispositifs MoS2 et WS2/MoS2 hétéro-structure comme les chaînes extraites les courbes sont de 0,27 et 0,69 cm2/V·s, respectivement. Notre prévision précédente de l’injection électronique de WS2 MoS2 et de canaux plus élevés de concentration d’électrons dans l’équilibre thermique pourrait être responsable de ce phénomène.

Après le dépôt de film mince de Mo, l’échantillon a été déplacé hors de la chambre de pulvérisation et exposé à l’air. Depuis le film Mo est très mince, il est oxydé et forme des oxydes Mo rapidement dans des conditions ambiantes. La courbe XPS (spectroscopie photoélectronique des rayons x) de l’échantillon avant que la procédure de sulfuration est montrée dans la Figure 6 a. Comme indiqué sur la figure, le film a été composé de MoO2 et MoO3 avant l’intervention de sulfuration. Ces résultats suggèrent que le film de Mo est oxydé au cours de la procédure de transfert de la chambre de pulvérisation dans le four chaud. Les autres preuves pour la formation de l’hétéro-structure crystal 2D pourraient provenir de la gravure sélective équivalente de l’hétéro-structure crystal 2D. À cette fin, nous avons démontré que gravure atomique peut être réalisée pour les MoS2 et WS2 à l’aide de traitement plasma oxygène faible puissance20. Nous pouvons réaliser la gravure sélective équivalente à l’hétéro-structure verticale en répétant la couche atomique procédure de gravure. Le spectre Raman de la gravé et non gravé 4 couches WS2/3-layer MoS2 hétéro-structure verticale sont indiquées dans la Figure 6 b. Les temps de gravure de couches atomiques étaient compatibles avec le nombre de couche de WS2 (4 fois). Les observations de MoS2 et WS2 Raman pics sur la région non gravée et MoS2 ne signaux que sur la région gravée, suggèrent qu’une hétéro-structure verticale a été créée en utilisant la technique de croissance décrit dans ce livre.

Figure 1
Figure 1 : Différents cristaux 2D de MoS2 et WS2. (a, b) Les spectres Raman et images (c, d) la HRTEM transversale de standalone MoS2 et WS2, respectivement le17. Les échantillons sont obtenus par sulfurizing 1,0 nm Mo et films W préparés par un système de pulvérisation. Comme le montre les spectres Raman, deux pics caractéristiques de Raman ont été observés pour les MoS2 et WS2, qui correspond au plan Equation 2 et hors-plan Equation 3 modes de vibration de phonons dans les cristaux 2D. Le nombre de nombre de couche de MoS2 et WS2 cultivés à l’aide de la méthode décrite dans le manuscrit actuel est proportionnel aux fois PULVERISATION des films Mo et W prédéposés. La détermination de pulvérisation fois obtenir MoS2 et WS2 avec numéros de couche requise est basée sur les images HRTEM transversales pour les échantillons à différents moments de pulvérisation. Toutefois, si les films prédéposés de Mo et W sont trop épais, ségrégation oxyde Mo et W deviendra le mécanisme de croissance dominante au lieu des planaires MoS2 et WS2 film croissance. Par conséquent, la proportionnalité des numéros de couche avec son temps de pulvérisation se limite à quelques couches TMDs. Avec les conditions de croissance de MoS2 dans le manuscrit actuel, le nombre de couche sera proportionnel aux fois pulvérisation quand le film de2 MoS est moins de 10 couches. Le temps de pulvérisation est 30 s pour la croissance des 5 couches MoS2. Ce chiffre a été modifié par Wu et al. 17 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : le modèle de croissance de métaux de transition sulfuration. (a) la HRTEM transversale image du 1,0 nm Mo film sulfurisés sous la condition déficiente de soufre et (b) le schéma décrivant le modèle pour les métaux de transition sulfuration15. Les conditions de croissance de l’échantillon préparé avec aucun soufre en poudre placé dans le four est dénommé la condition déficiente de soufre. Depuis toujours, il y a accumulation de soufre résidus près de l’aval de la chambre de croissance après répétition de cycles de croissance, il est prévu qu’une petite quantité de soufre est encore diffusent vers la surface de l’échantillon et entraîner une croissance de2 MoS. Toutefois, dans de telles conditions déficientes de soufre, pas tous le Mo antérieur se transformera en MoS2. Ce chiffre a été modifié par Wu et al.15. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : MoS2/WS2 single et double hétéro-structures -. Les spectres Raman et les images en coupe transversale HRTEM WS2/MoS2 (a, b) monophasé et (c, d) hétéro-structures16,17. Comme le montre le spectre Raman, le plan en Equation 2 et hors-plan Equation 3 modes de vibration de phonons de MoS2 et WS2 sont observées pour hétéro-structures cristallines 2D. Les panneaux ont été modifiées par Chen et al. et Wu et al. 16 , 17 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : croissance sélective des cristaux 2D. L’image et les spectres Raman des quatre régions de l’échantillon préparé avec dépôts de métaux de transition moitié-revêtement sur un même substrat de saphir17. Les spectres Raman dans le (un) substrat saphir blanc, (b) standalone MoS2, régions de2/MoS2 hétéro-structure et (d) standalone WS2 WS de (c) de l’échantillon a révélé la caractéristique Raman des pointes. Ce chiffre a été modifié par Wu et al. 17 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : La performance de l’appareil de transistors d’hétéro-structure verticales de MoS2 et WS2/MoS2 . (a) la procédure de fabrication des transistors MoS2 et le WS2/MoS2 hétéro-structure verticale comme les canaux et (b) la j’aiD-VGS courbes des deux dispositifs à VDS = 10 V 17. les épaisseurs de 1,0 nm pour les films Mo et W ont été obtenues d’après les relevés du résonateur à quartz. Les temps de pulvérisation étaient 30 s pour ces deux matériaux. Ce chiffre a été modifié par Wu et al. 17 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 : L’oxydation de la prédéposés Mo films et la gravure sélective équivalente WS hétéro-structures verticales2/MoS2 . (un) XPS la courbe de l’échantillon avec le film de Mo prédéposé avant l’intervention de sulfuration. Le film est composé de MoO2 et MoO3 avant l’intervention de sulfuration. Ces résultats suggèrent que le film de Mo est oxydé au cours de la procédure de transfert de la chambre de pulvérisation dans le four chaud. (b) The Raman les spectres de la gravé et non gravée 4 couches WS2/3-layer MoS2 hétéro-structure verticale. Après quatre fois de gravures de couches atomiques, seuls les sommets de2 MoS ont été observées sur la région gravée ; Le groupe B a été modifié par Chen et al. 20 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Par rapport aux matériaux semi-conducteurs classiques comme Si et GaAs, l’avantage des matériaux 2D pour les applications smart device réside dans la possibilité de fabrication de dispositifs avec des corps très minces jusqu'à plusieurs couches atomiques. Lorsque l’industrie Si avance dans le < 10 nœuds de technologie nm, le grand allongement de nageoire Si FET fera l’architecture du dispositif inadapté pour des applications pratiques. Ainsi, les matériaux 2D ont vu le jour en raison de leur potentiel pour remplacer Si des demandes de matériel électronique.

Bien que le matériel 2D plus étudié, le graphène, devrait exposer les valeurs de haute mobilité, sa nature de bandgap zéro a conduit à aucun État OFF pour les transistors de graphène. Dans ce cas, d’autres matériaux 2D comme TMDs avec des valeurs de bandgap visibles est venus en considération. Aujourd'hui, l’approche la plus commune d’obtenir TMDs de grande surface est d’utiliser la technique CVD. Bien que cette technique de croissance ne fournisse des films TMD de grande surface et uniformes, le choix des précurseurs appropriés et des températures de croissance différents pour différents TMDs est désavantageux pour le développement de structures complexes tels que les matériaux 2D hétéro-structures. Dans ce cas, la sulfuration de métaux de transition comme décrit dans ce livre est devenu une approche prometteuse pour la mise en place de TMD hétéro-structures. Il est possible de sulfurize TMDs différents dans des conditions similaires de sulfuration.

Une question importante pour la croissance de matériaux 2D est la contrôlabilité numéro de couche. La contrôlabilité numéro de couche du film2 MoS établi par sulfurizing des métaux de transition comme indiqué dans le présent document a été réalisée en contrôlant les épaisseurs de film Mo antérieur. L’épaisseur du film Mo a été contrôlé lors de la pulvérisation. Dans le cas de 30 s pulvérisation de temps, l’épaisseur du film Mo a été estimée à environ 1 nm. Après l’intervention de sulfuration, cinq couches de MoS2 devraient être obtenus17. Dans le cas de 10 s, pulvérisation de temps, un mono-couche MoS2 devrait être obtenu16.

La limitation majeure de cette méthode de croissance réside dans le nombre maximale de couche avec sulfuration ponctuel. Tel que discuté dans la section précédente, après le dépôt de film mince de Mo, l’échantillon a été déplacé hors de la chambre de pulvérisation et exposé à l’air. Le film Mo étant très mince, il est oxydé et forme des oxydes Mo rapidement à la température ambiante. Par conséquent, si le film antérieur de Mo est trop épais, le planar MoS2 ne sera pas suffisant pour empêcher la ségrégation oxyde Mo au cours de la procédure de sulfuration, et un échantillon avec des grappes de multicouches MoS2 couvrant les oxydes Mo sera obtenu. Les conditions de croissance adoptée dans le présent document, le plus grand nombre de couche2 MoS était autour de 10 avec une croissance unique cycle.

Pour pallier cet inconvénient, s’il faut un film de2 MoS avec un nombre de couche supérieur à 10, il est possible de répéter la même procédure de croissance des dépôts métalliques et sulfuration d’obtenir le film avec le nombre requis de couches11. La sulfuration de métaux de transition antérieur a offert la possibilité de croissance de film évolutive TMD contrôlabilité numéro bonne couche. En utilisant cette approche, la mise en place d’hétéro-structures verticales et de croissance sélective sur des substrats de saphir a également été démontrée. La technique de croissance décrit dans ce livre marquera une étape importante vers l’application pratique des cristaux 2D. Avec la performance de l’appareil amélioré de cristal 2D hétéro-structures, matériaux 2D peuvent être un candidat potentiel pour le développement d’appareils électroniques taille nm. Travailler à l’avenir, le gerbage des matériaux 2D pour établir divers hétéro-structures pour obtenir différentes propriétés optiques et électriques avec le matériel individuel sera un enjeu important pour les applications pratiques.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu en partie par des projets plus 105-2221-E-001-011-MY3 et plus 105-2622-8-002-001 financé par le ministère de la Science et la technologie, Taiwan et en partie par le projet ciblé, financé par le Research Center for Applied Sciences, Academia Sinica, Taiwan.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
RF sputtering system Kao Duen Technology N/A
Furnace for sulfurization Creating Nano Technologies N/A
Polymethyl methacrylate (PMMA) Microchem 8110788 Flammable
KOH, > 85% Sigma-Aldrich 30603
Acetone, 99.5% Echo Chemical CMOS110
Sulfur (S), 99.5% Sigma-Aldrich 13803
Molybdenum (Mo), 99.95% Summit-Tech N/A
Tungsten (W), 99.95% Summit-Tech N/A
C-plane Sapphire substrate Summit-Tech X171999 (0001) ± 0.2 ° one side polished
300 nm SiO2/Si substrate Summit-Tech 2YCDDM P-type Si substrate, resistivity: 1-10 Ω · cm.
Sample holder (sputtering system) Kao Duen Technology N/A Ceramic material
Mechanical pump (sputtering system) Ulvac D-330DK
Diffusion pump (sputtering system) Ulvac ULK-06A
Mass flow controller Brooks 5850E The maximum Argon flow is 400 mL/min
Manual wheel Angle poppet valve King Lai N/A Vacuum range from 2500 ~1 × 10-8 torr
Raman measurement system Horiba Jobin Yvon LabRAM HR800
Transmission electron microscopy Fei Tecnai G2 F20
Petri dish Kwo Yi N/A
Tweezer Venus 2A
Digital dry cabinet Jwo Ruey Technical DRY-60
Dual-channel system sourcemeter Keithley 2636B

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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).

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Numéro 129 cristal 2D Vertical hétéro-ouvrages d’art transition metal multiples sulfuration radiofréquence bredouillement film transfert transistors
Préparation de grande surface verticales Crystal hétéro-structures 2D par l’intermédiaire de la sulfuration de Films de métaux de Transition pour la Fabrication de dispositifs
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