Выращивание тонких пленок MoS2 большой площади методом прямого сульфирования

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8378 (2023) Цитировать эту статью

366 Доступов

Подробности о метриках

В данной работе мы представляем рост монослойной пленки MoS2 (дисульфида молибдена). Пленка Mo (молибдена) формировалась на сапфировой подложке методом электронно-лучевого испарения, а треугольная пленка MoS2 выращивалась методом прямого сульфурирования. Сначала рост MoS2 наблюдали под оптическим микроскопом. Количество слоев MoS2 анализировали с помощью измерения спектра комбинационного рассеяния света, атомно-силового микроскопа (АСМ) и фотолюминесцентной спектроскопии (ФЛ). Различные участки подложки сапфира имеют разные условия роста MoS2. Рост MoS2 оптимизируется путем контроля количества и расположения прекурсоров, регулирования соответствующей температуры и времени выращивания, а также обеспечения надлежащей вентиляции. Результаты экспериментов показывают успешный рост однослойного MoS2 большой площади на сапфировой подложке путем прямого сульфурирования в подходящей среде. Толщина пленки MoS2, определенная методом АСМ, составляет около 0,73 нм. Пиковая разница между сдвигом измерения комбинационного рассеяния света 386 и 405 см-1 составляет 19,1 см-1, а пик измерения ФЛ составляет около 677 нм, что преобразуется в энергию 1,83 эВ, что соответствует размеру прямой энергетической щели. тонкой пленки MoS2. Результаты подтверждают распределение количества выращенных слоев. Судя по изображениям оптического микроскопа (ОМ), MoS2 непрерывно вырастает из одного слоя дискретно распределенных треугольных монокристаллических зерен в однослойную пленку MoS2 большой площади. Эта работа представляет собой образец выращивания MoS2 на большой территории. Мы планируем применить эту структуру к различным гетеропереходам, датчикам, солнечным элементам и тонкопленочным транзисторам.

Двумерный слоистый материал MoS2 с атомарно толстыми слоями является одним из наиболее распространенных дихалькогенидов переходных металлов (ДМД)1,2,3,4; он имеет непрямую энергетическую щель 1,2 эВ в объемном полупроводнике MoS2 и прямую энергетическую щель 1,8 эВ в монослое MoS25,6,7,8,9. Однослойные TMD имеют превосходный коэффициент переключения тока (коэффициент включения/выключения тока) в полевых транзисторах из-за его прямой энергетической щели10,11. Этими преимуществами могут обладать только материалы атомной толщины12. MoS2 представляет собой слоистую структуру, обладающую хорошей смазывающей способностью, устойчивостью к давлению и износостойкостью. Он в основном используется в твердых смазочных материалах, а также в условиях высокоскоростной, тяжелой, высокотемпературной и химической коррозии13,14,15,16,17. Этот материал имеет множество потенциальных применений, например, в полевых транзисторах, электронных устройствах, светодиодах, датчиках и т. д., благодаря своим превосходным оптоэлектронным свойствам11,18,19,20,21,22,23,24,25 . В последние годы было обнаружено, что MoS2 обладает полупроводниковыми свойствами и может существовать в виде одного или нескольких слоев26. Поэтому двумерные материалы широко обсуждаются и изучаются учеными. Многие методы, включая механическое отшелушивание12,27,28,29,30, термическое разложение тиомолибдата аммония31,32,33,34, сульфирование Mo/MoO335 и химическое осаждение из паровой фазы (CVD)36,37,38,39,40,41 42, может быть использован для синтеза непрерывных пленок MoS2. Эти методы позволяют производить множество слоев MoS2 хорошего качества, однако получение тонких пленок MoS2 большой площади является сложной задачей. Причина в том, что MoS2 имеет тенденцию трансформироваться в структуры наночастиц и нанотрубок, что приводит к неэффективному производству при гомогенном синтезе и образованию тонких пленок MoS2 большой площади, что затрудняет развертывание производства для электронных устройств. Поэтому синтез тонких пленок MoS2 большой площади привлек большое внимание исследователей.

Методом выращивания в этом исследовании является прямое сульфидирование с использованием молибдена/оксида молибдена, которое также было предложено Лином и др.35 в 2012 году. Основной процесс заключается в проведении реакции прямой сульфидации на подложке, покрытой оксидом молибдена, для получения тонкой пленки MoS2. Триоксид молибдена (MoO3) размером около 3,6 нм наносится на сапфировую подложку и выращивается в два этапа нагрева. На первом этапе время нагрева составляет один час. Образец помещается в трубу печи при температуре 500 °C и пропускается через газовую смесь Ar/H2 (Ar:H2 = 4:1) под контролируемым давлением 1 Торр для преобразования MoO3 в MoS2. Уравнение реакции выглядит следующим образом: