큰 지역 수직 2D 크리스탈 Hetero-구조 장치 제조에 전이 금속 영화 Sulfurization의 준비

요약

미리 입금된 전이 금속 sulfurization를 통해 큰 지역 및 수직 2D 크리스탈 이종 구조 날조 될 수 있다. 영화 전송 및 장치 제조 절차는 또한이 보고서에 설명 했다.

초록

우리는 몰 리브 덴 (Mo), 텅스텐 (W), 큰 지역 등 전이 금속 필름의 sulfurization를 통해 그를 증명 하 고 전이 금속 dichalcogenides (TMDs) MoS₂ 를 균일 고 WS₂ 사파이어 기판에 준비 될 수 있다. 금속 필름 두께 조절 하 여 좋은 레이어 번호 제어 TMDs의 단일 계층까지이 성장 기술을 사용 하 여 얻어질 수 있다. 유황 결핍 상태 하에서 sulfurized 모 영화에서 얻은 결과 바탕으로, (a) 평면 MoS₂ 성장 및 (b) sulfurization 절차 동안 관찰 모 산화물 분리의 두 가지 메커니즘이 있습니다. 배경 황 이면 충분 한 평면 TMD 성장 sulfurization 절차 후 균일 한 MoS₂ 영화 귀 착될 것 이다 지배적인 성장 메커니즘입니다. 배경 유황 결핍 이면 모 산화물 분리 sulfurization 절차의 초기 단계에서 지배적인 성장 메커니즘을 될 것입니다. 이 경우에, 모 산화 클러스터 몇 레이어 MoS₂ 로 덮여와 함께 샘플 얻어질 것입니다. 후 순차적 모 증 착/sulfurization 및 W 증 착/sulfurization 절차, 수직 WS₂/MoS₂ 이종 구조가 성장 기술을 사용 하 여 설정 됩니다. 라만 봉우리에 해당 하는 WS₂ 와 모스₂, 각각, 그리고 개별 2D 자료의 합계와 이종 구조 동일한 레이어 수 수직 2D 크리스탈의 성공적인 설립을 확인 했습니다. hetero-구조입니다. WS₂미리 패턴된 소스/드레인 전극으로 SiO₂/Si 기판에 /MoS₂ 필름을 전송 후 하단-게이트 트랜지스터 조작입니다. 만 모스₂ 채널 트랜지스터와 비교, WS₂/MoS₂ hetero-구조 장치의 더 높은 드레인 전류는 전시는 2D 크리스탈 hetero-구조, 우수한 장치 도입 성능을 얻을 수 있습니다. 결과 2 차원 결정의 실용적인 응용 프로그램에 대 한이 성장 기술의 잠재력을 계시 했다.

서문

2D 크리스탈 필름을 얻기 위해 가장 일반적인 방법 중 하나는 기계적인 벗겨짐 대량 자료^1,2,3,,45에서 사용 하는. 2D 크리스탈 필름 높은 결정 질은이 메서드를 사용 하 여 쉽게 얻을 수, 비록 확장 가능한 2D 크리스탈 필름 실용적인 응용 프로그램에 대 한 불리는이 방법을 통해 사용할 수 없습니다. 그것은 화학 기상 증 착 (CVD)에 사용 하 여, 큰 지역 및 균일 한 2D 크리스탈 영화 될 수 있는 준비 된^6,7,,89이전 간행물에서 증명 되었습니다. 사파이어 기판 및 레이어 수 제어 MoS₂ 영화 같은 성장 주기를 반복 하 여 준비에 그래 핀의 직접 성장은 또한 시연 CVD 성장 기술이^10,11. 1 개의 최근 간행물에서 비행기에서 WSe₂/MoS₂ 이종 구조 조각도는 CVD 성장 기술이¹²를 사용 하 여 조작. CVD 성장 기술이 제공 하는 확장 가능한 2D 크리스탈 영화 약속 이지만,이 성장 기술의 주요 단점은 다른 선구자는 다른 2 차원 결정에 대 한 위치입니다. 성장 조건이 다른 2D 결정 사이 다. 이 경우에, 성장 절차 2D 크리스탈 hetero-구조에 대 한 수요가 성장 하는 때 더 복잡 하 게 될 것입니다.

CVD 성장 기술에 비해, 미리 입금된 전이 금속 필름의 sulfurization TMDs^13,14와 유사 하지만 훨씬 간단 성장 접근을 제공 했습니다. 성장 절차 포함 하므로 금속 증 착 및 다음 sulfurization 절차, 동일한 성장 절차를 통해 다른 TMDs 성장 가능 하다. 다른 한편으로, 2 차원 결정의 레이어 숫자 제어 사전 입금된 전이 금속 두께 변경 하 여 또한 달성 될 수 있습니다. 이 경우 단일 계층까지 성장 최적화 및 레이어 번호 제어는 다른 TMDs. 필요한 성장 메커니즘을 이해 또한 매우 복잡 한 TMD hetero-구조가이 메서드를 사용 하 여의 설립에 대 한 중요 하다.

이 종이, MoS₂ 와 WS₂ 에서 영화는 sulfurization 프로시저 다음 금속 증 착의 비슷한 성장 과정을 준비 하 고 있다. 모 영화 황 충분 하 고 부족 한 조건에서의 sulfurization에서 얻은 결과 함께 두 개의 성장 메커니즘은 sulfurization 절차¹⁵동안 관찰 됩니다. 황 충분 한 조건 하에서 균일 하 고 레이어 번호 제어 MoS₂ 영화 sulfurization 절차 후 얻을 수 있습니다. 샘플 유황 결핍 상태 하에서 sulfurized는, 배경 황 모 산화물 분리 및 합체 초기 성장 단계에서 지배적인 기계 장치가 있을 것입니다 그런 완전 한 MoS₂ 필름을 형성 하기에 충분 한지 않습니다. MoS₂ 의 몇 층에 의해 덮여 모 산화 클러스터와 샘플 sulfurization 절차¹⁵후 얻을 수 것입니다. 순차적 금속 증 착 및 다음 sulfurization 프로시저를 통해 WS₂/MoS₂ 수직 hetero-구조 단일 레이어 아래 레이어 번호 제어와^15,16준비 될 수 있습니다. 이 기술을 사용 하 여, 샘플 4 개 지역으로 단일 사파이어 기판에 얻어진 다: (I) 사파이어 기판, (II) 독립 실행형 모스₂, (III) WS₂/MoS₂ 이종 구조, 및 (IV) 독립형 WS₂^{17 빈} . 결과 성장 기술 수직 2D 크리스탈 이종 구조의 설립에 대 한 유리의 선택적 성장 수 보여줍니다. 2D 크리스탈 이종 구조의 향상 된 장치 공연 2 차원 결정을 위해 실용적인 응용 프로그램을 향한 첫 번째 단계를 표시 합니다.

프로토콜

1. 개별 2D 자료 (MoS₂ 와 WS₂)의 성장

1. RF 스퍼터 링 시스템을 사용 하 여 전이 금속 증 착
   1. 깨끗 한 2 x 2 cm² 사파이어 기판 샘플 홀더 전이 금속 증 착을 위한 스퍼터 링 시스템의 대상으로 광택 측면에 배치 됩니다. 사파이어 기판은 사파이어의 높은 온도 원자 평면 표면에 화학 안정성 때문에 선택 됩니다.
   2. 확산 펌프에 의해 다음 기계적인 펌프를 사용 하 여 순차적으로 3 x 10^-6 torr에 스퍼터 링 챔버를 펌프.
   3. 스퍼터 링 시스템에 Ar 가스를 주입 하 고 40 mL/min 유량 컨트롤러 (MFC)를 사용 하 여 가스 흐름 유지.
   4. 수동 압력 제어 밸브를 사용 하 여 5 x 10^-2 torr에 약 실 압력을 유지 하 고 Ar 플라즈마 점화. W. 40에서 출력을 유지
   5. 수동 휠 각도 포 펫 밸브를 사용 하 여 5 x 10^-3 torr에 약 실 압력을 감소.
   6. 수동으로 사파이어 기판 및 2 인치 금속 대상 사이의 셔터를 열고 금속 증 착을 시작 합니다. 증 착 절차 동안 스퍼터 링 파워에서 계속 40 W Mo와 w. 배경 압력 40 mL/min Ar 가스 흐름 5 × 10^-3 torr에서 유지 됩니다.
   7. 다른 두께와 전이 금속 필름을 예금 하는 스퍼터 링 시간을 제어 합니다. 얇은 금속 두께 때문 번 스퍼터 링 필름 두께 크리스털 공 진 기에서 신호 보다 더 나은 제어를 제공할 것입니다.
      참고: MoS₂ 와 WS₂ 현재 원고에서 설명 하는 메서드를 사용 하 여 재배의 레이어 번호는 미리 입금 Mo와 W 필름의 스퍼터 링 시간에 비례. 필요한 레이어 숫자 모스₂ 과 WS₂ 을 번 스퍼터 링의 결정은 다른 스퍼터 링 시간 샘플에 대 한 횡단면 고해상도 전송 전자 현미경 (HRTEM) 이미지를 기반으로 합니다. 그러나, 미리 입금된 Mo와 W 영화 너무 두꺼운 경우에, Mo와 W 산화물 분리 지배적인 성장 메커니즘 대신 평면 MoS₂ 와 WS₂ 영화 성장 될 것 이다. 따라서, 스퍼터 링 타임 레이어 숫자의 비례는 몇 층 TMDs 제한 됩니다. 현재 원고에 MoS₂ 의 성장 상태, 레이어 숫자 때 MoS₂ 영화 10 미만 계층은 스퍼터 링 시간에 비례 됩니다. 스퍼터 링 시간은 30 5 층 MoS₂의 성장에 대 한 s.
2. 전이 금속 필름 sulfurization
   1. 미리 입금된 전이 금속 필름 사파이어 기판 sulfurization에 대 한 뜨거운 용광로의 중앙에 놓습니다.
   2. 황 (S) 분말 가스 흐름, 보일 러의 난방 영역에서 2 cm의 상류를 놓습니다. 기판 온도 800 ° c 증가 하는 경우이 위치에 S 분말의 증발 온도 120 ° C를 있을 것입니다. 정확 하 게 sulfurization에 대 한 다른 전이 금속에 대 한 S 분말 무게를 제어 합니다. 작품에서 S 분말 무게는 1.5 g 모와 W. 1.0 g
      참고: 우리는 MoS₂ 와 다른 양의 유황 분말을 사용 하 여 준비 하는 각 재료에 대 한 얻은 결과에 따라 WS₂ 영화 준비에 대 한 유황 분말 양을 결정 합니다.
   3. 0.7 torr에서 보일 러 압력을 유지. Sulfurization 절차 동안 130 mL/min Ar 가스 캐리어 가스로 사용 되었다.
   4. 황 분말은 완전히 증발 때까지 램프 온도 20 ° C/분의 램프 속도 40 분에 800 ° C에 실내 온도에서 용광로의 온도 800 ° C에는 온도 유지. 그 후, 히터 전원 보일 러 온도 낮추기 위하여 떨어져 전환 된다. 그것은 800 ° c.에서 실내 온도 도달 하는 보일 러에 대 한 약 30 ~ 40 분 소요
3. 488 nm 레이저^15,,1617를 사용 하 여 라만 스펙트럼 측정을 수행 합니다. 2D 크리스탈^15,,1617의 레이어 숫자를 확인 하려면 횡단면 HRTEM 이미지를 가져옵니다.

2. WS₂/MoS₂ 세로 단일 Hetero-구조의 성장

참고:이 섹션은 단일 hetero-MoS₂ 의 5 층 사파이어 레이어와 WS₂의 4 개의 층으로 구성 된 구조를 만드는 데 사용 됩니다.

1. 1.1 단계로 동일한 절차를 따릅니다. RF 스퍼터 링 30으로 시스템을 사용 하 여 사파이어 기판에 모 영화 입금 시간을 스퍼터 링 s.
2. MoS₂의 성장에 대 한 1.2 단계 동일한 sulfurization 절차를 다음과 같은 모 영화 sulfurize MoS₂ 의 5 층 sulfurization 절차 후 얻을 수 것입니다.
3. 1.1 단계로 동일한 절차를 따릅니다. MoS₂W 필름을 예금/사파이어 기판 RF 스퍼터 링 시스템 30 사용 하 여 시간을 스퍼터 링 s.
4. WS₂의 성장 위한 단계 1.2의 동일한 sulfurization 절차에 따라 W 필름 sulfurize WS₂ 의 4 개의 층 sulfurization 절차 후 MoS₂ 위에 얻을 것 이다.
   참고: 금속 증 착 및 sulfurization 절차는 개별 자료와 동일 합니다. Mo와 W 필름의 스퍼터 링 시간 MoS₂ 와 WS₂ 층의 필요한 레이어 숫자에 따라 결정 됩니다. 더블-또는 멀티-hetero-구조 같은 성장 절차를 반복 하 여 설정할 수 있습니다. 수직 이종 구조에서 TMDs의 시퀀스 샘플 구조에 따라 변경할 수 있습니다.

3. 영화 전송 및 장치 제작 절차

1. 2D 크리스탈 필름의 절차를 전송 하는 영화
   1. 스핀 코트 poly(methyl methacrylate) (PMMA) 실 온에서 전체 영화를 충당 하기 위해 TMD 필름에의 3 드랍 스. 회전자의 2 단계 회전 속도 10 s 500 rpm 및 800 rpm 10 s. 5 분 동안 120 ° C에서 경화 후 아크릴 두께 약 3 µ m 이다.
   2. PMMA/TMD/사파이어 샘플을 이온된 (DI) 물으로 가득 페 트리 접시에 놓습니다.
   3. 디 물에 핀셋을 사용 하 여 사파이어 기판에서 PMMA/TMD 영화의 한 모퉁이 벗기십시오.
   4. 100 ° c 비 커에 250 mL의 1 M KOH 용액 (14 g 코 펠 릿 250 mL 물 혼합) 열 열띤된 코 수성 해결책에서 샘플을 이동 하 고 영화는 기판에서 완전히 떨어져 벗 겨 때까지 PMMA/TMD 영화 필 링 계속. 필 링 약 1 분 완료 하는 데 필요 합니다.
   5. 사용 하 여 별도 사파이어 기판 코 솔루션에서 PMMA/TMD 영화 특. 영화 영화에 코 잔류물을 씻어 디 물으로 채워진 250 mL 비 커에 이동 합니다. 이 단계에서 PMMA/TMD 영화와 영화를 특 종 사파이어 기판 사이의 접착은 약 합니다. 따라서, 영화 디 물에 침수 후 사파이어 기판에서 연결 해제 됩니다.
   6. 3.1.5 3.1.4-단계 3 번 반복 되도록 새로운 디 물을 사용 하 여 찌 꺼 기 코의 대부분 영화에서 제거 됩니다.
      참고: 각 TMD 레이어 간의 접착은 사파이어 기판으로는 TMDs 보다 훨씬 강력. 따라서, 동일한 전송 절차는 개별 MoS₂/WS₂ 재료 또는 그들의 이종 구조에 적용할 수 있습니다. 2D 크리스탈 필름 것입니다 수 완전히 벗 겨 기판에서 비슷한 구조의 MoS₂/graphene 이종-이전 게시¹⁸에서 설명 필 링. 영화 전송의 목적에 따라이 단계에서 언급 한 기판 수 사파이어 기판 또는 미리 예금 된 전극 가진 SiO₂/Si 기판 3.2 단계에서 설명한 대로 있습니다. 다른 기판은 또한이 목적을 위해 사용할 수 있습니다.
2. 2D 크리스탈 트랜지스터의 제조입니다.
   1. SiO₂/Si 기판^15,,1617에 전극 패턴을 정의 하기 위해 표준 사진 평판을 사용 합니다. 10 nm 티타늄 (Ti) 또는 100 nm 금 (Au)의 소스와 드레인 전극 300 nm SiO₂/p-type Si 기판에 조립 됩니다.
   2. 젖어 SiO₂/Si 기판으로 미리 디 물으로 채워진 비 커에 소스/드레인 전극 패턴 및 단계 3.1에서에서 준비의 PMMA/TMD 영화 TMD 측에 연결.
   3. 영화 물 잔류물을 제거 하는 SiO₂/Si 기판에 연결 된 후 3 분 동안 100 ° C에서 샘플을 구워.
   4. 전체 표면을 커버 하 고 더 확고 하 게 기판에 부착 된 필름을 PMMA/TMD 필름 샘플에 PMMA의 3 드랍 스 물방울
   5. 다음 단계로 이동 하기 전에 적어도 8 h에 대 한 전자 건조 캐비닛에 샘플을 놓습니다.
   6. 아세톤과 두 개의 다른 250 mL 비 커를 채우십시오. 담가 가기 PMMA 층을 제거 하려면 각각 50, 10 분, 아세톤으로 가득 두 개의 서로 다른 비 커에 순차적으로 PMMA/TMD 영화와 함께 첨부 된 샘플.
   7. 표준 사진-리소 그래피 및 반응성 이온 에칭^15,,1617를 사용 하 여 트랜지스터 채널을 정의 합니다. 백 게이트 MoS₂ 와 WS₂/MoS₂ 이종 구조 트랜지스터는 조작된^15,,1617. 채널 길이 소자의 너비는 각각 5, 150 μ m입니다.
   8. 듀얼-채널 시스템 sourcemeter 악기를 사용 하 여 트랜지스터^15,,1617의 전류-전압 특성을 측정.

결과

라만 스펙트럼과 개별 MoS₂ 와 WS₂ 미리 입금 전이 금속 sulfurization를 사용 하 여 날조의 횡단면 HRTEM 이미지 각각 그림 1a-b¹⁷에 표시 됩니다. 두 특성 라만 봉우리 MoS₂ 와 WS₂, 해당 비행기에서 하는 관찰 된다 및 밖으로의 비행기는_{1 g} 2...

토론

Si, GaAs 등 기존의 반도체 재료에 비해, 장치 응용 프로그램에 대 한 2 차원 재료의 장점은 여러 원자 층으로 매우 얇은 시체와 함께 장치 제조의 가능성에 있다. Si 산업으로 발전 하는 때는 < 10 nm 기술 노드를 Si 핀 FET의 높은 종횡비 만들 것입니다 장치 아키텍처 응용에 적합. 따라서, 2D 자료 전자 장치 응용 프로그램에 대 한 시를 대체 하는 그들의 잠재력 등장 했습니다.

가장 ?...

자료

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