Name: preparation of large-area vertical 2d crystal hetero-structures through the sulfurization of transition metal films for device fabrication
Uploaded: 2017-11-28T13:00:00
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Diese Arbeit wurde zum Teil durch Projekte am 105-2221-E-001-011-MY3 und am meisten 105-2622-8-002-001 finanziert vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taiwan, und zum Teil durch die fokussierte Projekt gefördert durch das Forschungszentrum für angewandte Wissenschaften, Academia Sinica unterstützt, Taiwan.

1. Wachstum der einzelnen 2D Material (MoS2 und WS2)
<ol><li>
Übergangsmetall-Abscheidung mit einer RF-Sputter-system
	<ol>
<li>Ein sauber 2 x 2 cm2 Saphir Substrat befindet sich auf der Probenhalter mit der polierten Seite in Richtung der Ziele des Sputter-Systems für die Übergangsmetall-Abscheidung. Saphir-Substraten sind aufgrund Sapphires chemische Beständigkeit bei hohen Temperaturen und atomic-flache Oberflächen gewählt.</li>
		<li>Abpumpen der Sputter Kamme...

<ol>
	<li>Moldt, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Yield+Production+and+Transfer+of+Graphene+Flakes+Obtained+by+Anodic+Bonding.">High-Yield Production and Transfer of Graphene Flakes Obtained by Anodic Bonding.</a> ACS Nano. 5, 7700-7706 (2011).</li><li>Choi, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Detectivity+Multilayer+MoS2+Phototransistors+with+Spectral+Response+from+Ultraviolet+to+Infrared.">High-Detectivity Multilayer MoS2 Phototransistors with Spectral Response from Ultraviolet to Infrared.</a> Adv. Mater. 24, 5832-5836 (2012).</li><li>Liu, H., Neal, A. T., Ye, P. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Channel+Length+Scaling+of+MoS2+MOSFETs.">Channel Length Scaling of MoS2 MOSFETs.</a> ACS Nano. 6, 8563-8569 (2012).</li><li>Wang, Q. H., Kalantar-Zadeh, K., Kis, A., Coleman, J. N., Strano, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electronics+and+optoelectronics+of+two-dimensional+transition+metal+dichalcogenides.">Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides.</a> Nat. Nanotechnol. 7, 699-712 (2012).</li><li>Radisavljevic, B., Radenovic, A., Brivio, J., Giacometti, V., Kis, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-layer+MoS2+transistors.">Single-layer MoS2 transistors.</a> Nat. Nanotechnol. 6, 147-150 (2011).</li><li>Lee, Y. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+Large-Area+MoS2+Atomic+Layers+with+Chemical+Vapor+Deposition.">Synthesis of Large-Area MoS2 Atomic Layers with Chemical Vapor Deposition.</a> Adv. Mater. 24, 2320-2325 (2012).</li><li>Yu, Y., Li, C., Liu, Y., Su, L., Zhang, Y., Cao, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+Scalable+Synthesis+of+Uniform,+High-Quality+Monolayer+and+Few-layer+MoS2+Films.">Controlled Scalable Synthesis of Uniform, High-Quality Monolayer and Few-layer MoS2 Films.</a> Sci. Rep. 3, 1866 (2013).</li><li>Ling, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+the+Seeding+Promoter+in+MoS2+Growth+by+Chemical+Vapor+Deposition.">Role of the Seeding Promoter in MoS2 Growth by Chemical Vapor Deposition.</a> Nano Lett. 14, 464-472 (2014).</li><li>Lee, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+wafer-scale+uniform+molybdenum+disulfide+films+with+control+over+the+layer+number+using+a+gas+phase+sulfur+precursor.">Synthesis of wafer-scale uniform molybdenum disulfide films with control over the layer number using a gas phase sulfur precursor.</a> Nanoscale. 6, 2821-2826 (2014).</li><li>Lin, M. Y., Su, C. F., Lee, S. C., Lin, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Growth+Mechanisms+of+Graphene+Directly+on+Sapphire+Substrates+using+the+Chemical+Vapor+Deposition.">The Growth Mechanisms of Graphene Directly on Sapphire Substrates using the Chemical Vapor Deposition.</a> J. Appl. Phys. 115, 223510 (2014).</li><li>Wu, C. R., Chang, X. R., Chang, S. W., Chang, C. E., Wu, C. H., Lin, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multilayer+MoS2+prepared+by+one-time+and+repeated+chemical+vapor+depositions:+anomalous+Raman+shifts+and+transistors+with+high+ON/OFF+ratio.">Multilayer MoS2 prepared by one-time and repeated chemical vapor depositions: anomalous Raman shifts and transistors with high ON/OFF ratio.</a> J. Phys. D Appl. Phys. 48, 435101 (2015).</li><li>Li, M. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epitaxial+growth+of+a+monolayer+WSe2-MoS2+lateral+p-n+junction+with+an+atomically+sharp+interface.">Epitaxial growth of a monolayer WSe2-MoS2 lateral p-n junction with an atomically sharp interface.</a> Science. 349, 524-528 (2015).</li><li>Zhan, Y., Liu, Z., Najmaei, S., Ajayan, M. P., Lou, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-area+vapor-phase+growth+and+characterization+of+MoS2+atomic+layers+on+a+SiO2+substrate.">Large-area vapor-phase growth and characterization of MoS2 atomic layers on a SiO2 substrate.</a> Small. 8, 966 (2012).</li><li>Woods, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=One-Step+Synthesis+of+MoS2/WS2+Layered+Heterostructures+and+Catalytic+Activity+of+Defective+Transition+Metal+Dichalcogenide+Films.">One-Step Synthesis of MoS2/WS2 Layered Heterostructures and Catalytic Activity of Defective Transition Metal Dichalcogenide Films.</a> ACS Nano. 10, 2004-2009 (2016).</li><li>Wu, C. R., Chang, X. R., Wu, C. H., Lin, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Growth+Mechanism+of+Transition+Metal+Dichalcogenides+using+Sulfurization+of+Pre-deposited+Transition+Metals+and+the+2D+Crystal+Hetero-structure+Establishment.">The Growth Mechanism of Transition Metal Dichalcogenides using Sulfurization of Pre-deposited Transition Metals and the 2D Crystal Hetero-structure Establishment.</a> Sci. Rep. 7, 42146 (2017).</li><li>Chen, K. C., Chu, T. W., Wu, C. R., Lee, S. C., Lin, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Layer+Number+Controllability+of+Transition-metal+Dichalcogenides+and+The+Establishment+of+Hetero-structures+using+Sulfurization+of+Thin+Transition+Metal+Films.">Layer Number Controllability of Transition-metal Dichalcogenides and The Establishment of Hetero-structures using Sulfurization of Thin Transition Metal Films.</a> J. of Phys. D: Appl. Phy. 50, 064001 (2017).</li><li>Wu, C. R., Chang, X. R., Chu, T. W., Chen, H. A., Wu, C. H., Lin, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Establishment+of+2D+Crystal+Heterostructures+by+Sulfurization+of+Sequential+Transition+Metal+Depositions:+Preparation,+Characterization,+and+Selective+Growth.">Establishment of 2D Crystal Heterostructures by Sulfurization of Sequential Transition Metal Depositions: Preparation, Characterization, and Selective Growth.</a> Nano Lett. 16, 7093-7097 (2016).</li><li>Lin, M. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+epitaxially+grown+two-dimensional+crystal+hetero-structures:+Single+and+double+MoS2/graphene+hetero-structures+by+chemical+vapor+depositions.">Toward epitaxially grown two-dimensional crystal hetero-structures: Single and double MoS2/graphene hetero-structures by chemical vapor depositions.</a> Appl. Phys. Lett. 105, 073501 (2014).</li><li>Lee, C., Yan, H., Brus, L. E., Heinz, T. F., Hone, J., Ryu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anomalous+Lattice+Vibrations+of+Single+and+Few-Layer+MoS2.">Anomalous Lattice Vibrations of Single and Few-Layer MoS2.</a> ACS Nano. 4, 2695-2700 (2010).</li><li>Chen, K. C., Chu, T. W., Wu, C. R., Lee, S. C., Lin, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+Layer+Etchings+of+Transition+Metal+Dichalcogenides+with+Post+Healing+Procedures:+Equivalent+Selective+Etching+of+2D+Crystal+Hetero-structures.">Atomic Layer Etchings of Transition Metal Dichalcogenides with Post Healing Procedures: Equivalent Selective Etching of 2D Crystal Hetero-structures.</a> 2D Mater. 4, 034001 (2017).</li></ol>

Verglichen mit konventionellen Halbleitermaterialien wie Si und GaAs, liegt der Vorteil von 2D Material für Geräteanwendungen in der Möglichkeit der Gerät-Fertigung mit sehr dünnen Körper bis zu mehreren Atomlagen. Wenn nachts die Si-Industrie in der < 10 nm Technologie Knoten, hohe Streckung des Si Fin FET machen die Gerät-Architektur für praktische Anwendungen ungeeignet. So entstanden die 2D Materialien aufgrund ihres Potenzials, Si für Anwendungen für elektronische Geräte zu ersetzen.
<p class="jove_co...

Einer der am häufigsten verwendeten Ansätze, 2D Kristall Filme zu erhalten nutzt mechanische Peeling von Bulk Material1,2,3,4,5. Obwohl 2D Kristall Filme mit hoher kristalliner Qualität leicht mit dieser Methode abgerufen werden können, stehen skalierbare 2D Kristall Filme nicht über dieses Konzept, das für praktische Anwendungen nachteilig ist. Es wurde in früheren Publikationen nachgewiesen, dass mit chemical Vapor Deposition (CVD), großflächige und gleichmäßige 2D Kristall Filme bereit6,7,8,9sein können. Direkte Wachstum von Graphen auf Saphir-Substraten und Layer-Anzahl-steuerbare MoS2 Filme vorbereitet durch die Wiederholung des gleichen Wachstumszyklus sind auch demonstriert mit CVD Wachstum Technik10,11. In einer kürzlich erschienenen Publikation hergestellt in der Ebene WSe2/MoS2 Hetero-Struktur Flocken auch sind die CVD Wachstum Technik12. Obwohl die CVD-Wachstum-Technik bei der Bereitstellung von skalierbaren 2D Kristall Filme vielversprechend ist, ist der große Nachteil dieser Technik Wachstum, dass verschiedene Vorstufen für verschiedene 2D Kristalle befinden. Auch variieren die Wachstumsbedingungen zwischen verschiedenen 2D Kristallen. In diesem Fall werden die Wachstum Verfahren komplizierter geworden, wenn Nachfrage für 2D Hetero-Kristallstrukturen wächst.
Im Vergleich mit der CVD-Wachstum-Technik, hat die Sulfurization der bereits hinterlegten Übergangsmetall Filme einen ähnliche, aber viel einfacher Growth-Ansatz TMDs13,14vorgesehen. Da das Wachstum-Verfahren nur Metallabscheidung und Sulfurization folgt beinhaltet, ist es möglich, verschiedene TMDs über das gleiche Verfahren Wachstum wachsen. Auf der anderen Seite kann die Schicht Nummer Regelbarkeit der 2D Kristalle auch erreicht werden, durch eine Änderung der bereits hinterlegten Übergangsmetall-dicken. In diesem Fall sind die Optimierung und Schicht Nummer Wachstumskontrolle auf einer einzigen Schicht erforderlich für verschiedene TMDs. Wachstum Mechanismen zu verstehen, ist auch sehr wichtig für den Aufbau von komplizierten TMD Hetero-Strukturen mit dieser Methode.
In diesem Papier, MoS2 und WS2 bereiten wir Filme unter ähnlichen Wachstum Verfahren der Metallabscheidung, gefolgt von dem Sulfurization-Verfahren. Mit den Ergebnissen aus den Sulfurization Mo Filme unter Schwefel ausreichend und mangelhaft sind zwei Wachstum Mechanismen während der Sulfurization Verfahren15beobachtet. Unter den Schwefel hinreichende Bedingung erhalten Sie eine einheitliche und Layer-Anzahl-steuerbare MoS2 -Film nach dem Sulfurization Verfahren. Wenn die Probe unter den Schwefel mangelhaft Zustand sulfurized, ist der Hintergrund Schwefel nicht ausreichen, um einen kompletten MoS2 Film zu bilden, so dass die Mo Oxid Segregation und Zusammenwachsen der vorherrschende Mechanismus in der frühen Wachstumsphase. Nach dem Sulfurization Verfahren15erhält man eine Probe mit Mo Oxid Cluster durch einige Schichten von MoS2 abgedeckt. Durch sequentielle Metallabscheidung und folgenden Sulfurization Verfahren kann WS2/MoS2 vertikale Hetero-Strukturen mit Schicht Nummer Kontrollierbarkeit auf einer einzigen Schicht15,16vorbereitet werden. Mit diesem Verfahren ergibt sich eine Probe auf einem einzigen Saphir Substrat mit vier Regionen: (I) leer Saphir Substrat, (II) Standalone MoS2, (III) WS2/MoS2 Hetero-Struktur und (IV) Standalone WS217 . Die Ergebnisse zeigen, dass die Wachstum-Technik vorteilhaft für die Einrichtung der vertikalen 2D Hetero-Kristallstruktur ist und in der Lage, selektives Wachstum ist. Die erweiterte Gerät Aufführungen von 2D Hetero-Kristallstrukturen markiert den ersten Schritt in Richtung praktische Anwendungen für 2D Kristalle.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>RF sputtering system</td>
			<td>Kao Duen Technology</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Furnace for sulfurization</td>
			<td>Creating Nano Technologies</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polymethyl methacrylate (PMMA)</td>
			<td>Microchem</td>
			<td>8110788</td>
			<td>Flammable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KOH, &#62; 85%</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>30603</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone, 99.5%</td>
			<td>Echo Chemical</td>
			<td>CMOS110</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sulfur (S), 99.5%</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>13803</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Molybdenum (Mo), 99.95%</td>
			<td>Summit-Tech</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tungsten (W), 99.95%</td>
			<td>Summit-Tech</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C-plane Sapphire substrate</td>
			<td>Summit-Tech</td>
			<td>X171999</td>
			<td>(0001) &#177; 0.2 &#176; one side polished</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>300 nm SiO2/Si substrate</td>
			<td>Summit-Tech</td>
			<td>2YCDDM</td>
			<td>P-type Si substrate, resistivity: 1-10 &#937; &#183; cm.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample holder (sputtering system)</td>
			<td>Kao Duen Technology</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Ceramic material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mechanical pump (sputtering system)</td>
			<td>Ulvac</td>
			<td>D-330DK</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diffusion pump (sputtering system)</td>
			<td>Ulvac</td>
			<td>ULK-06A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mass flow controller</td>
			<td>Brooks</td>
			<td>5850E</td>
			<td>The maximum Argon flow is 400 mL/min</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Manual wheel Angle poppet valve</td>
			<td>King Lai</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Vacuum range from 2500 ~1 &#215; 10-8 torr</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Raman measurement system</td>
			<td>Horiba</td>
			<td>Jobin Yvon LabRAM HR800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transmission electron microscopy</td>
			<td>Fei</td>
			<td>Tecnai G2 F20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Petri dish</td>
			<td>Kwo Yi</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tweezer</td>
			<td>Venus</td>
			<td>2A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital dry cabinet</td>
			<td>Jwo Ruey Technical</td>
			<td>DRY-60</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dual-channel system sourcemeter</td>
			<td>Keithley</td>
			<td>2636B</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

preparation of large-area vertical 2d crystal hetero-structures through the sulfurization of transition metal films for device fabrication

Wir haben gezeigt, dass durch die Sulfurization von Übergangsmetall-Filmen wie Molybdän (Mo) und Wolfram (W), großflächige und gleichmäßige Übergangsmetall Dichalcogenides (TMDs) MoS2 und WS2 auf Saphir-Substraten hergestellt werden können. Durch die Kontrolle der Metall Schichtdicken, gute Schicht Nummer Steuerbarkeit, bis auf eine einlagige TMDs, erhalten Sie mit dieser Technik Wachstum. Basierend auf den Ergebnissen aus dem Mo-Film unter den Schwefel mangelhaft Zustand sulfurized, gibt es zwei Mechanismen (a) planare MoS2 Wachstum und (b) Mo Oxid Segregation beobachtet während des Sulfurization-Verfahrens. Wenn der Hintergrund Schwefel ausreicht, ist planar TMD Wachstum der dominanten Wachstumsmechanismus, die nach dem Sulfurization Verfahren in einem einheitlichen MoS2 Film führen wird. Wenn der Hintergrund Schwefel unzulänglich ist, werden Mo-Oxid Segregation der dominanten Wachstumsmechanismus in der Anfangsphase des Verfahrens Sulfurization. In diesem Fall erhält man die Probe mit Mo Oxid Cluster mit paar-Schicht MoS2 bedeckt. Nachdem sequenziell Mo Ablagerung/Sulfurization und W Ablagerung/Sulfurization Verfahren, vertikale WS2/MoS2 Hetero-Strukturen mit dieser Technik Wachstum festgelegt sind. Raman Spitzen entsprechend WS2 und MoS2, und die Nummer der identische Ebene der Hetero-Struktur mit der Summe der einzelnen 2D Materialien haben die erfolgreiche Etablierung des vertikalen 2D Kristalls bestätigt. Hetero-Struktur. Nach der Übertragung der WS2/MoS2 Film auf einem SiO2/Si Substrat mit Pre-gemusterten Source/Drain-Elektroden, ist ein Bottom-Gate-Transistor hergestellt. Verglichen mit den Transistor mit MoS2 Kanälen, haben die höheren Abfluss Strömungen des Gerätes mit dem WS-2/MoS2 Hetero-Struktur, die mit der Einführung von 2D Hetero-Kristallstrukturen, überlegene Gerät ausgestellt Leistung erzielt werden kann. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass das Potential dieses Wachstum-Technik für die praktische Anwendung der 2D Kristalle.

Das Raman-Spektrum und die Schnittbilder HRTEM der einzelnen MoS2 und WS2 hergestellt unter Verwendung der Sulfurization der bereits hinterlegten Übergangsmetalle sind in Figur 1a-b17, gezeigt. Zwei charakteristischen Raman-Spitzen für MoS2 und WS2, die in der Ebene entsprechen eingehalten werden <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56494/56494eq1.jpg"> und Out-of-P...

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Preparation of Large-area Vertical 2D Crystal Hetero-structures Through the Sulfurization of Transition Metal Films for Device Fabrication

Durch die Sulfurization der bereits hinterlegten Übergangsmetalle können großflächige und vertikale 2D Hetero-Kristallstrukturen hergestellt werden. Die Übertragung von Film und Gerät Herstellung Verfahren sind auch in diesem Bericht gezeigt.

Herstellung von großflächigen vertikale 2D Crystal Hetero-Strukturen durch Sulfurization Übergangsmetall Filme für Gerät Herstellung

We have demonstrated that through the sulfurization of transition metal films such as molybdenum (Mo) and tungsten (W), large-area and uniform transition ...

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