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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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.

1. crescita del singolo materiale 2D (MoS2 e WS2)
<ol><li>
Deposizione di metalli di transizione utilizzando un RF sputtering sistema
	<ol>
<li>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.</li>
		<li>Pompa giù ...

<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>

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 ...

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.

<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

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.

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 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56494/56494eq1.jpg"> e fuori-di...

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

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.

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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