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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Este trabajo fue apoyado en parte por proyectos más 105-2221-E-001-011-MY3 y más 105-2622-8-002-001 financiado por el Ministerio de ciencia y tecnología, Taiwán y en parte por el enfoque proyecto financiado por el centro de investigación de Ciencias aplicadas, Academia Sinica, Taiwán.

1. crecimiento Individual material 2D (MoS2 y WS2)
<ol><li>
Deposición de metal de la transición con un RF sistema de sputtering
	<ol>
<li>Un sustrato de2 zafiro limpio 2 x 2 cm se coloca en el portamuestras con la cara pulida hacia los objetivos del sistema de pulverización para la deposición de metal de la transición. Sustratos de zafiro son elegidos debido a la estabilidad química de zafiro en altas temperaturas y superficies planas atómica.</li>
		<li>Vaciado...

<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>

En comparación con los materiales semiconductores convencionales como Si y GaAs, la ventaja de materiales 2D para aplicaciones de dispositivos radica en la posibilidad de la fabricación del dispositivo con los cuerpos muy delgados hasta varias capas atómicas. Cuando la industria Si se avanza en la < 10 nodo de la tecnología de nanómetro, el alto cociente de aspecto de la aleta Si FET hará que la arquitectura del dispositivo adecuado para aplicaciones prácticas. Así, han surgido materiales 2D debido a su potencial...

Uno de los enfoques más comunes para obtener películas de cristal 2D utilizando exfoliación mecánica de bulto materiales1,2,3,4,5. Aunque películas de cristal 2D con alta calidad cristalina pueden obtenerse fácilmente utilizando este método, escalable de cristal 2D películas no están disponibles a través de este enfoque, que es para aplicaciones prácticas. En publicaciones anteriores se ha demostrado que mediante deposición de vapor químico (CVD), películas de cristal 2D área grande y uniforme pueden ser preparado6,7,8,9. Directa del grafeno sobre sustratos de zafiro y capa-número-controlable películas de2 MoS preparadas repitiendo el mismo ciclo de crecimiento son también demostrada mediante el CVD crecimiento técnica10,11. En una reciente publicación, WSe en el plano2/MoS2 escamas de hetero-estructura son también fabricados con el CVD crecimiento técnica12. Aunque la técnica CVD crecimiento es prometedora en la provisión de películas de cristal 2D escalables, la desventaja principal de esta técnica de crecimiento es que diferentes precursores deben colocarse para diferentes cristales 2D. Las condiciones de crecimiento también varían entre diferentes cristales 2D. En este caso, los procedimientos de crecimiento será más complicados cuando crece la demanda de cristal 2D hetero-estructuras.
En comparación con la técnica CVD crecimiento, el sulfurization de películas de metal previamente depositado de transición ha proporcionado un enfoque similar pero mucho más simple de crecimiento de TMDs13,14. Puesto que el procedimiento de crecimiento implica sólo deposición del metal y el siguiente procedimiento sulfurization, es posible cultivar diferentes TMDs a través de los mismos procedimientos de crecimiento. Por otro lado, la controlabilidad número de capa de los cristales de 2D también puede lograrse al cambiar los espesores de metal de transición previamente depositado. En este caso, son necesarios para diferentes TMDs. optimización y capa número control del crecimiento hacia una sola capa comprender mecanismos de crecimiento también es muy importante para el establecimiento de TMD hetero-estructuras complejas utilizando este método.
En este papel, MoS2 y WS2 películas son preparadas bajo procedimientos similares de crecimiento de la deposición de metal seguido por el procedimiento del sulfurization. Con los resultados obtenidos en el sulfurization de películas Mo condiciones azufre suficiente y deficiente, se observan dos mecanismos de crecimiento durante el sulfurization procedimiento15. Bajo la condición suficiente de azufre, una película de2 MoS uniforme y capa-número-controlable puede obtenerse después del procedimiento sulfurization. Cuando la muestra es sulfurizada bajo la condición de deficiencia de azufre, el sulfuro de fondo no es suficiente para formar una película completa de2 MoS que Mo óxido segregación y fusión será el mecanismo dominante en la etapa temprana de crecimiento. Se obtiene una muestra con Mo óxido racimos cubiertos por algunas capas de MoS2 después del sulfurization procedimiento15. A través de deposición de metal secuencial y procedimientos sulfurization, WS2/MoS2 hetero-estructuras verticales con la controlabilidad de número de capas a una sola capa puede ser preparado15,16. Usando esta técnica, se obtiene una muestra sobre un único sustrato de zafiro con cuatro regiones: () en blanco zafiro substrato, (II) independiente MoS2, (III) WS2/MoS2 hetero-estructura y (IV) independiente WS217 . Los resultados demuestran que la técnica de crecimiento es ventajosa para el establecimiento de la estructura vertical de cristal 2D hetero y es capaz de crecimiento selectivo. Las actuaciones del dispositivo realzado de cristal 2D hetero-estructuras marca el primer paso hacia aplicaciones prácticas para cristales 2D.

<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

Nos han demostrado que a través del sulfurization de películas de metal de la transición como molibdeno (Mo) y el tungsteno (W), gran superficie uniforme de metal de la transición dichalcogenides (TMDs) MoS2 y WS2 pueden prepararse sobre sustratos de zafiro. Mediante el control de los espesores de película metálica, controlabilidad número de buena capa, a una sola capa de TMDs, puede obtenerse con esta técnica de crecimiento. Basado en los resultados obtenidos de la película Mo sulfurizada bajo la condición de deficiencia de azufre, hay dos mecanismos de crecimiento de2 MoS (a) plano y (b) segregación de óxido Mo observada durante el procedimiento del sulfurization. Cuando el sulfuro del fondo es suficiente, crecimiento planar de TTM es el mecanismo de crecimiento dominante, que dará como resultado una película uniforme de2 MoS después del procedimiento sulfurization. Si el azufre del fondo es deficiente, segregación de óxido Mo será el mecanismo dominante de crecimiento en la fase inicial del procedimiento sulfurization. En este caso, se obtendrá la muestra con Mo óxido racimos cubiertos con capas algunos MoS2 . Después se establecen secuencial Mo deposición/sulfurization y W deposición/sulfurization procedimientos, vertical WS2/MoS2 hetero-estructuras utilizando esta técnica de crecimiento. Picos Raman correspondiente a WS2 y MoS2, respectivamente y el número de capa idéntica de la hetero-estructura con la adición de materiales 2D individuales han confirmado el establecimiento acertado del cristal 2D vertical hetero-estructura. Después de transferir el WS2la película2 /MoS en un SiO2/Si sustrato con los electrodos de la fuente previo modelado/vaciado, se fabrica un transistor de puerta inferior. En comparación con el transistor con sólo MoS2 canales, las corrientes de drenaje superiores del dispositivo con el WS2/MoS2 hetero-estructura han expuesto con la introducción de estructuras 2D cristal hetero-dispositivo superior rendimiento se puede obtener. Los resultados han revelado el potencial de esta técnica de crecimiento para la aplicación práctica de cristales 2D.

El espectro de Raman y las imágenes HRTEM transversales de cada MoS2 y WS2 fabricado usando el sulfurization previamente depositados de metales de transición se muestran en la Figura 1a-b17, respectivamente. Se observan dos picos Raman característicos para MoS2 y WS2, que corresponden a en el plano <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56494/56494eq1.jpg"> y hacia f...

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

A través el sulfurization previamente depositados de metales de transición, se pueden fabricar cristal 2D área grande y vertical hetero-estructuras. Película de transferencia de los procedimientos de fabricación del dispositivo se demuestran también en este informe.

Preparación de gran superficie 2D cristal Hetero-estructuras verticales por el Sulfurization de películas de Metal de la transición para la fabricación de dispositivos

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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