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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この作業は、プロジェクトの最も 105-2221-E-001-011-MY3 と最も 105-2622-8-002-001 省の科学と技術、台湾、によって資金を供給の資金を供給された研究センター応用科学、中国科学院の焦点を絞ったプロジェクトによって部分で支えられました台湾。

1. 個々 の 2 D 素材 (MoS2と WS2) の成長
<ol><li>
スパッタ法を用いた遷移金属蒸着
	<ol>
<li>きれいな 2 × 2 cm2サファイア基板は、洗練された遷移金属成膜用スパッタリング装置のターゲット側のサンプル ホルダーに配置されます。サファイア基板、サファイアの高温で原子フラット表面の化学的安定性により選択します。</li>
		<li>スパッタ室に続いて拡散ポン...

<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>

Si や GaAs など従来の半導体材料と比較して、デバイス アプリケーション用 2 D 材料の利点は原子層数の非常に薄いボディとデバイス作製の可能性にあります。Si 業界が進出する場合、< 10 nm 技術ノード、Si フィン FET の高アスペクト比になるデバイス アーキテクチャの実用的なアプリケーションには適していません。したがって、2 D 素材は、その電子デバイス用 Si を交換する可能性があるの...

2次元結晶膜を取得する最も一般的な方法の 1 つは、バルク材料1,2,3,4、5からの機械的ピーリングを使用しています。高品質結晶の 2次元結晶膜ができますこのメソッドを使用して簡単に得られる、スケーラブルな 2 D 液晶は実用に不利であるが、このアプローチを通じて利用可能なありません。それは、化学気相成長法 (CVD) を使用すると、大面積で均一の 2次元結晶膜ができる準備6,7,8,9以前の出版物で実証されています。サファイア基板と同じ成長のサイクルを繰り返すことにより層数制御可能な MoS2膜グラフェンの直接成長はまた、CVD 成長技術10,11を使用して示されました。1 つの最近の出版物では、面内 WSe2/MoS2ヘテロ構造フレークもは、CVD 成長技術12を用いて作製しました。CVD 成長技術は有望なスケーラブルな 2次元結晶膜を提供することで、この成長の技術の主要な不利な点は異なった前駆体が異なる 2次元結晶を配置しなければならないこと。成長条件も異なる 2次元結晶によって異なります。この場合、需要増加する 2次元結晶ヘテロ構造成長のプロシージャはより複雑ななります。
CVD 成長法と比較して、事前に堆積した遷移金属薄膜の硫化は TMDs13,14似ていますが、はるかに簡単な成長のアプローチを提供しています。成長のプロシージャを含む金属蒸着と硫化手順だけ、ので成長と同じ手順で異なる TMDs を成長することが可能です。その一方で、2次元結晶の層数制御は、事前入金の遷移金属の厚さを変更することによって達成されるかもしれません。この場合、単一のレイヤーまで成長最適化と層数制御が異なる TMDs の必要成長機構の理解もこの法を用いた複雑な顎関節症ヘテロ構造の確立のため非常に重要です。
この紙、MoS2 WS2硫化手順続いて金属蒸着の同じような成長のプロシージャの下で膜が得られました。硫黄前約条件下で Mo 薄膜の硫化から得られた結果と 2 つの成長メカニズムは硫化手順15の間に観察されます。硫黄の十分な条件の下で硫化のプロシージャの後制服と層数制御可能な MoS2フィルムが得られます。サンプルは、硫黄欠乏条件下で硫化は、背景硫黄では、Mo 酸化物の分離・合体は初期の成長段階で支配的なメカニズムになりますよう完全な MoS2フィルムを形成できません。硫化手順15の後 MoS2のいくつかの層で覆われている Mo 酸化物クラスターのサンプルを取得します。順次金属蒸着と手順硫化、WS2/MoS2垂直方向ヘテロ構造単一の層に層数制御と15,16に用意できます。この手法を使用して、サンプルは 4 つの地域と 1 つのサファイア基板上得られた: (I) 空白のサファイア基板、(II) スタンドアロン MoS2、(III) WS2/MoS2ヘテロ構造、および (IV) スタンドアロン WS217.結果を示す成長技術が垂直 2次元結晶ヘテロ構造の確立のため有利であるし、選択成長が可能です。2次元結晶ヘテロ構造の強化されたデバイスのパフォーマンスは、2次元結晶の実用への第一歩がマークされます。

<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

硫化モリブデン (Mo)、タングステン (W)、大面積など遷移金属膜を通して実証を行い, 遷移金属ダイカルコゲナイド (Tmd) MoS2制服し、サファイア基板上 WS2を準備することができます。金属膜厚を制御することによりこの成長法を用いた Tmd の単一の層までの良好な層数制御が得られます。硫黄欠乏条件下で硫化 Mo フィルムから得られた結果に基づき、(a) 平面 MoS2成長および (b) 硫化処理中に観測された Mo 酸化物分離の 2 つのメカニズムがあります。背景硫黄が十分な平面の顎の成長、硫化処理後均一な MoS2膜になります優勢成長メカニズムです。背景硫黄が不足している場合、Mo 酸化物の偏析は硫化プロシージャの初期の段階で支配的な成長のメカニズムになります。この場合、覆われて少数層 MoS2 Mo 酸化物クラスターのサンプルが取得されます。後順次 Mo 蒸着/硫化および W 蒸着/硫化手順、垂直 WS2/MoS2ヘテロ構造は、この成長技術を使用して確立されます。WS2と MoS2にそれぞれ対応するラマンピークと個々 の 2 D マテリアルの総和によってヘテロ構造の同じ層数は垂直方向の 2次元結晶の成功確立を確認しています。ヘテロ構造。WS2パターン済みソース/ドレイン電極と SiO2/Si 基板上に/MoS2フィルムを転送した後下部ゲート トランジスタを作製しました。MoS2チャンネルのみでトランジスタと比べると、WS2/MoS2ヘテロ構造デバイスの高いドレイン電流が展示されて 2次元結晶ヘテロ構造、優れたデバイスの導入によりパフォーマンスが得られます。結果は、2次元結晶の実用的なアプリケーションのためのこの成長技術の可能性を明らかにしました。

ラマン スペクトルと個々 の MoS2と WS2事前入金の遷移金属の硫化を用いて作製したの断面の高分解能電顕像は、それぞれ図 1 ab17に表示されます。平面内に対応する MoS2と WS2の両方の 2 つの特徴的なラマンピークが観察される<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56494/56494eq1.jpg">・面1 ...

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

事前に堆積した遷移金属の硫化による大面積と垂直方向の 2次元結晶ヘテロ構造を加工できます。本報告ではフィルムの転送とデバイス作製手順も示します。

大面積垂直 2次元結晶ヘテロ構造デバイス作製のための遷移金属薄膜の硫化からの準備

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

Research

JoVE Journal

Engineering

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Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

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