Investigasi Band Alignment untuk Hybrid 2D-MoS2/3D-β-Ga2O3 Heterojunctions dengan Nitridasi
Abstrak
Heterojungsi hibrida berdasarkan bahan dua dimensi (2D) dan tiga dimensi (3D) konvensional memberikan cara yang menjanjikan menuju perangkat nanoelektronik dengan fitur yang direkayasa. Dalam karya ini, kami menyelidiki penyelarasan pita dari heterojunction dimensi campuran yang terdiri dari MoS yang ditransfer2 di -Ga2 O3 (\( 2- \)01) dengan dan tanpa nitridasi. Offset pita konduksi dan valensi untuk 2D-MoS yang tidak ternitridasi2 /3D-β-Ga2 O3 heterojunction ditentukan masing-masing 0,43 ± 0,1 dan 2,87 ± 0,1 eV. Untuk nitridasi hetero, offset pita konduksi dan valensi dideduksi menjadi 0,68 ± 0,1 dan 2,62 ± 0,1 eV, masing-masing. Penyelarasan pita yang dimodifikasi dapat dihasilkan dari dipol yang dibentuk oleh transfer muatan melintasi antarmuka heterojungsi. Pengaruh nitridasi pada penyelarasan pita antara oksida kelompok III dan dichalcogenides logam transisi akan menyediakan rute teknis yang layak untuk merancang perangkat elektronik dan optoelektronik berbasis heterojunction.
Latar Belakang
Beta-gallium oksida (β-Ga2 O3 ) telah menarik minat yang cukup besar karena sifat materialnya yang unggul [1, 2]. Dengan celah pita ultra lebar (4,6–4,9 eV), medan listrik gangguan teoretis (EC ) diperkirakan sekitar 8 MV/cm [3, 4]. Dikombinasikan dengan konstanta dielektrik relatifnya yang tinggi (ε) dan mobilitas elektron (μ), nilai manfaat Baliga (\( \upvarepsilon \upmu {E}_C^3 \)) adalah tiga kali lipat dari GaN atau SiC, mengurangi kehilangan konduksi secara signifikan [1]. Selain itu, ketersediaan kristal tunggal curah besar yang disintesis melalui teknik pertumbuhan leleh dan epitaksi memberikan keuntungan yang signifikan untuk aplikasi industri [5, 6]. Sejauh ini, -Ga2 O3 telah ditunjukkan dengan baik dalam berbagai aplikasi elektronik, termasuk dioda pemancar cahaya, sensor gas, fotodetektor, serta transistor efek medan [7,8,9,10]. Baru-baru ini, heterojungsi hibrid, yaitu integrasi material dua dimensi (2D) dengan material tiga dimensi (3D), menjadi perhatian khusus karena sifat komplementer dari sistem materialnya [11].
Hingga saat ini, beragam bahan berlapis 2D telah ditumpuk pada semikonduktor celah pita lebar untuk membangun heterojungsi hibrid untuk aplikasi baru dengan berbagai fungsi, seperti MoS2 /GaN, WSe2 /GaN, MoS2 /SiC, dan seterusnya [12,13,14,15]. Secara struktural, MoS2 kristal terdiri dari lapisan atom Mo yang diapit di antara dua lapisan belerang, membentuk trilayer heksagonal dua dimensi yang terikat pada lapisan tetangganya oleh gaya van der Waals yang lemah [16, 17]. Tidak seperti graphene dengan celah pita nol, modulasi celah pita yang bergantung pada ketebalan memotivasi eksplorasi MoS2 dalam perangkat optik dan listrik [18, 19]. Berdasarkan fisika MoS2 , kepadatan status beberapa lapisan MoS2 tiga kali lipat lebih tinggi dari lapisan tunggal (SL) MoS2 , yang mengarah ke arus penggerak tinggi dalam batas balistik. Dalam konteks ini, beberapa lapisan MoS2 dapat memberikan keuntungan yang signifikan untuk aplikasi transistor dari SL MoS2 [18]. Dengan demikian, integrasi MoS2 dengan -Ga2 O3 sangat menarik untuk menggabungkan keunggulan masing-masing dari materi 2D dan 3D yang sudah ada. Dan sifat optik dan listrik untuk heterojunction hybrid secara inheren didominasi oleh penyelarasan pita energi antarmuka. Akibatnya, sangat diinginkan untuk memiliki penyelarasan pita yang dapat disetel untuk meningkatkan kinerja perangkat berbasis heterojungsi. Dalam pekerjaan ini, kami menyelidiki penyelarasan pita 2D-MoS2 /3D-β-Ga2 O3 heterojungsi dengan dan tanpa perlakuan nitridasi melalui karakterisasi spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dan perhitungan prinsip pertama.
Metode
SiO2 Substrat /Si di ultrasonikasi dengan aseton dan visopropanol masing-masing selama 10 menit, diikuti dengan pembilasan dalam air deionisasi dan pengeringan dengan N2 . MoS beberapa lapis2 film ditanam di SiO2 /Si substrat dengan deposisi uap kimia (CVD) menggunakan prekursor MoO3 (0,08 mg, 99%, Alfa Aesar) dan bubuk S (1 g, 99%) [20, 21]. MoO3 dan serbuk S ditempatkan ke dalam dua cawan lebur terpisah dengan SiO2 /Si substrat dalam tabung kuarsa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a. Selama proses pertumbuhan, tabung kuarsa ditahan pada suhu 800 °C untuk MoS2 pertumbuhan film dalam 5 menit. Gambar 1b menampilkan gambar mikroskopis optik dari MoS seragam2 film di SiO2 /Si substrat. Setelah pertumbuhan MoS2 film, itu akan ditransfer ke -Ga2 O3 (Tamura Corporation, Jepang) substrat melalui metode yang dibantu PMMA, [22] seperti yang digambarkan pada Gambar. 1c. Selama proses transfer, PMMA pertama kali di-spin-coated pada MoS yang sudah berkembang2 film sebagai lapisan pendukung, kemudian sampel direndam dalam larutan KOH untuk menghilangkan SiO2 lapisan. Selanjutnya, lapisan PMMA dengan MoS2 film akan mengapung di atas larutan, setelah itu sampel akan dibilas dalam air deionisasi selama 1 menit untuk menghilangkan sisa K
+
dan selanjutnya ditransfer ke β-Ga2 O3 substrat. Terakhir, lapisan PMMA atas akan dihilangkan dengan aseton. Untuk MoS nitridasi2 /β-Ga2 O3 heterojunction, nitridasi telah diimplementasikan pada -Ga2 O3 permukaan dengan 50-an N2 pengobatan plasma pada tekanan 3 Pa sebelum MoS2 transfer. Kekuatan RF dan N2 laju aliran adalah 100 W dan 80 sccm, masing-masing. Akibatnya, empat sampel disiapkan untuk pengukuran XPS:(1) -Ga yang tidak dilapisi2 O3 substrat (massal -Ga2 O3 ), (2) MoS beberapa lapis2 film di SiO2 /Si substrat (beberapa lapis MoS2 ), (3) mentransfer MoS2 film di -Ga2 O3 substrat, (4) mentransfer MoS2 film di nitrided -Ga2 O3 substrat.
a Ilustrasi skema pengaturan eksperimental untuk pertumbuhan CVD dari MoS2 . b Gambar optik untuk MoS beberapa lapis yang tumbuh2 film di SiO2 /Si substrat. c Alur proses metode transfer basah berbantuan PMMA untuk MoS2 /β-Ga2 O3 pembentukan heterojungsi
Hasil dan Diskusi
Spektroskopi Raman digunakan untuk menyelidiki kualitas beberapa lapisan MoS2 film serta untuk memeriksa nomor lapisan yang relevan. Spektrum Raman dari MoS2 film sebelum dan sesudah transfer disajikan pada Gambar. 2, yang dicirikan oleh RENISHAW dalam spektroskopi Raman. Dua mode Raman yang khas dapat diamati sekitar 381,91 cm
−1
dan 405.84 cm
−1
, sesuai dengan mode di dalam bidang (\( {E}_{2g}^1 \)) dan di luar bidang (A1g ) mode, masing-masing [23, 24]. Dibandingkan dengan MoS yang sudah berkembang2 film, hampir tidak ada pergeseran Raman di \( {E}_{2g}^1 \) dan A1g mode setelah proses transfer, menunjukkan MoS yang tidak rusak2 setelah proses pemindahan. Puncaknya pada 412,99 cm
−1
setelah proses transfer berasal dari -Ga2 O3 substrat, sesuai dengan laporan sebelumnya [25]. Perbedaan frekuensi antara \( {E}_{2g}^1 \) dan A1g mode disimpulkan menjadi sekitar 23,93 cm
−1
, menunjuk empat lapisan MoS beberapa lapis2 film [26]. Selanjutnya, seperti yang ditunjukkan pada inset Gambar 2, ketebalan MoS2 film diverifikasi kira-kira 3 nm (sekitar empat lapisan) dengan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM), yang sesuai dengan spektrum Raman kami. Dapat dilihat dari Gambar 3a bahwa puncak intensitas tinggi N 1 s terdeteksi dari nitrida -Ga2 O3 substrat, menunjukkan adanya nitrogen. Gambar 3b menunjukkan profil SIMS dari MoS2 /β-Ga2 O3 heterojungsi dengan nitridasi, di mana sinyal komponen utama yang diwakili oleh Mo, N, dan Ga diplot terhadap kedalaman. Terlihat bahwa puncak N terletak di MoS2 /β-Ga2 O3 antarmuka, dan N menyebar ke -Ga2 O3 substrat dapat disumbangkan oleh injeksi N ke lapisan yang mendasarinya selama perawatan plasma atau pemboman sinar primer. Profil Ga yang lebih tinggi di MoS2 lapisan dari -Ga2 O3 substrat mungkin berasal dari hasil ion yang berbeda dalam matriks bahan yang berbeda [27]. Selain itu, ekor Mo di -Ga2 O3 dapat dianggap berasal dari masalah resolusi difusi atau kedalaman, yang disebabkan oleh pemboman sinar primer [28].
Spektrum Raman dari MoS yang tumbuh2 pada SiO2 /Si substrat dan MoS yang ditransfer2 di -Ga2 O3 substrat, masing-masing. Sisipan menunjukkan gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) penampang dari MoS yang dibuat2 /β-Ga2 O3 heterojungsi
a Spektrum XPS N 1 dari -Ga2 O3 substrat dengan nitridasi permukaan. b Profil kedalaman SIMS dari MoS yang dibuat2 /β-Ga2 O3 heterojungsi
Untuk mendapatkan keselarasan pita MoS2 /β-Ga2 O3 heterojungsi, pengukuran XPS dengan langkah 0,05 eV dilakukan pada sistem VG ESCALAB 220i-XL dengan sumber sinar-X Al Kα monokromatik (hν =1486,6 eV). Energi lulus konstan ditetapkan pada 20 eV. Selain itu, standar C1 s (284,8 eV) digunakan untuk kalibrasi energi ikat (BE) [29]. Untuk mengevaluasi offset pita valensi (VBO) pada MoS2 /β-Ga2 O3 antarmuka, level inti Mo 3d dan Ga 3d (CL) digunakan untuk beberapa lapisan MoS2 dan -Ga2 O3 sampel, masing-masing. Gambar 4a menunjukkan pemindaian sempit XPS dari Mo 3d dan spektrum pita valensi dari beberapa lapisan MoS2 [30]. Perbedaan energi ikat (BED) antara CL dari Mo 3d5/2 dan pita valensi maksimum (VBM) untuk MoS2 dihitung menjadi 228,59 ± 0,1 eV. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 4b, BE dari Ga 3d CL dan VBM dari beberapa lapisan -Ga2 O3 dideduksi menjadi 20,25 ± 0,05 dan 3,23 ± 0,05 eV, masing-masing. BED yang sesuai ditentukan menjadi 17,02 ± 0,1 eV, yang sangat konsisten dengan yang dilaporkan oleh Sun et al. [31]. Gambar 4c menggambarkan spektrum XPS terukur dari Mo 3d dan Ga 3d CLs untuk MoS2 /β-Ga2 O3 heterojungsi dengan/tanpa nitridasi. Perlu dicatat bahwa Mo 3d5/2 CL bergeser dari 228,95 ± 0,05 eV untuk unnitridasi hetero menuju 229,60 ± 0,05 eV untuk nitridasi hetero sedangkan Ga 3d CL bergeser dari 20,25 ± 0,05 menjadi 20,65 ± 0,05 eV. Berdasarkan metode Kraut,[32] offset pita valensi (VBO, ∆EV ) dari beberapa lapisan MoS2 /β-Ga2 O3 heterojungsi dihitung menurut persamaan berikut,
a Spektrum XPS dari Mo 3d CL dan pita valensi dari beberapa lapisan MoS2 . b Spektrum XPS dari Ga 3d CL dan pita valensi dari -Ga2 O3 substrat. c Spektrum XPS dari Mo 3d dan Ga 3d CLs untuk MoS yang dibuat2 /β-Ga2 O3 heterojungsi dengan/tanpa nitridasi permukaan. d Spektrum XPS dari O 1 kehilangan energi CL dari -Ga2 O3 substrat dengan/tanpa nitridasi permukaan
di mana \( {E}_{Mo\ 3{d}_{5/2}}^{Mo{S}_2} \) dan \( {E}_{VBM}^{Mo{S}_2} \ ) adalah energi ikat Mo 3d5/2 CL dan VBM dari MoS2 , \( {E}_{Ga\ 3d}^{Ga_2{O}_3} \), dan \( {E}_{VBM}^{Ga_2{O}_3} \) adalah energi ikat dari Ga 3d CL dan VBM dari -Ga2 O3 , \( {\Delta E}_{CL}=\Big({E}_{Mo\ 3{d}_{5/2}}^{Mo{S}_2}-{E}_{Ga\ 3d}^{Ga_2{O}_3} \)) adalah perbedaan energi ikat antara Mo 3d5/2 dan Ga 3d CL untuk MoS2 /β-Ga2 O3 heterojungsi. Oleh karena itu, ∆EV dari MoS2 di -Ga2 O3 substrat dengan dan tanpa N2 pengobatan plasma dihitung masing-masing menjadi 2,62±0,1 dan 2,87 ± 0,1 eV.
Gambar 4d menunjukkan spektrum kehilangan energi O 1 s CL dari -Ga2 O3 substrat dengan dan tanpa nitridasi. Perlu dicatat bahwa celah pita tetap tidak berubah setelah perlakuan nitridasi dengan nilai 4,70 ± 0,1 eV. Dengan demikian, offset pita konduksi dapat diekstraksi sebagai berikut,
di mana \( {E}_g^{Ga_2{O}_3} \) dan \( {E}_g^{Mo{S}_2} \) adalah celah pita -Ga2 O3 dan beberapa lapisan MoS2 , masing-masing. Celah pita 1,4 ± 0,1 eV untuk beberapa lapisan MoS2 digunakan dalam pekerjaan ini.
34
Menurut Persamaan. (2), ∆EC antara MoS2 dan -Ga2 O3 dengan dan tanpa nitridasi dideduksi menjadi 0,68 ± 0,1 dan 0,43 ± 0,1 eV, masing-masing. Diagram pita yang dihitung untuk heterojungsi tanpa/dengan nitridasi masing-masing ditunjukkan pada Gambar 5(a) dan 5(b).
Selanjutnya, struktur elektronik dari heterojunction nitridasi dan unnitridasi diperiksa lebih lanjut melalui paket simulasi Vienna ab initio (VASP) berdasarkan teori fungsi densitas (DFT) [33,34,35]. Pendekatan gradien umum (GGA) dari parameterisasi Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) diadopsi untuk fungsi pertukaran-korelasi [36, 37]. Kami menggunakan pendekatan koreksi dispersi DFT-D3 untuk menggambarkan interaksi van der Waals (vdW) jarak jauh [38,39,40]. Metode pseudopotensial gelombang ditambah proyektor (PAW) digunakan untuk menggambarkan interaksi valensi inti dengan pemutusan energi kinetik 650 eV untuk ekspansi gelombang bidang. Kami menggunakan k-mesh yang berpusat pada 4 × 4 × 1 G untuk relaksasi struktural sel satuan, dengan jarak terkecil antara titik-k sebesar 0,04 Å
−1
, yang cukup tepat dengan uji konvergensi terhadap jumlah k titik. Ambang batas konvergensi ditetapkan ke 10
−4
eV untuk perbedaan energi sistem dan 10
−2
eV
−1
untuk gaya Hellman-Feynman. Untuk menghilangkan interaksi buatan antara dua lapisan atom yang berdekatan, ketebalan lapisan vakum diatur ke ~ 15 . Nilai eigen dari heterojungsi selanjutnya diverifikasi oleh perhitungan fungsional hibrid Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06), yang meningkatkan ketepatan nilai eigen melalui pengurangan kesalahan lokalisasi dan delokalisasi fungsi PBE dan Hartree-Fock (HF) [41]. Rasio pencampuran adalah 25% untuk pertukaran HF jarak pendek. Parameter penyaringan adalah 0,2
−1
.
Diagram pita MoS2 /β-Ga2 O3 heterojungsi a tanpa dan b dengan nitridasi permukaan
MoS2 /β-Ga2 O3 heterojunctions dibangun seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a. Metode hubungan energi ikat universal (UBER), yang menyediakan bentuk universal sederhana untuk hubungan antara energi ikat dan pemisahan atom, [42] diterapkan untuk menentukan struktur yang stabil secara energetik sebelum perhitungan struktur elektronik. Berbagai jarak antar lapisan dipertimbangkan dan energi adhesi permukaan Wiklan untuk heterojungsi ditunjukkan di bawah ini,
$$ {W}_{ad}=\frac{E_{Ga_2{O}_3}+{E}_{Mo{S}_2}-{\mathrm{E}}_{Ga_2{O}_3/ Bulan {S}_2}}{A} $$
Struktur atom dan distribusi densitas muatan -Ga2 O3 -MoS2 heterostruktur bertumpuk a tanpa dan b dengan dopan nitrogen dalam supercell 4 × 4 × 1 dari tampilan samping. Atom Ga (O) berwarna merah (abu-abu) dan atom Mo (S) berwarna biru (oranye). Struktur pita MoS2 /β-Ga2 O3 heterostruktur c tanpa dan d dengan dopan nitrogen
di mana A adalah luas antarmuka, \( {E}_{Ga_2{O}_3} \), \( {E}_{Mo{S}_2} \), dan \( {E}_{Ga_2{O }_3/ Mo{S}_2} \) adalah energi total -Ga2 O3 , MoS monolayer2 dan MoS2 /β-Ga2 O3 heterojungsi, masing-masing. Setelah Aiklan mencapai maksimum, maka akan diperoleh jarak interlayer yang optimal. Setelah optimasi struktur, atom nitrogen didoping secara substitusi dalam MoS asli2 /β-Ga2 O3 heterojungsi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b. Konsentrasi nitrogen dalam perhitungan DFT adalah sekitar 4,17%, yang mendekati (3,61%) dalam percobaan. Struktur elektronik untuk MoS nitridasi dan unnitridasi2 /β-Ga2 O3 heterojungsi dihitung seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 6c dan d. Terlihat bahwa status mid-gap diperkenalkan, yang dapat meningkatkan transfer biaya di seluruh MoS2 /β-Ga2 O3 antarmuka, dan dipol antarmuka yang dihasilkan berkontribusi pada pergeseran energi ikat yang terukur. Selanjutnya, pita konduksi yang dihitung mengimbangi ∆EC (\( \Delta {E}_C={E}_{CB}^{Mo{S}_2}-{E}_{CB}^{Ga_2{O}_3} \)) untuk undoped- dan doped- -Ga2 O3 /MoS2 heterojunctions masing-masing adalah 0,82 dan 1,0 eV, menunjukkan tren yang sama dengan hasil eksperimen. Kami juga telah menghitung nilai eigen dari \( {E}_{CB}^{Mo{S}_2} \) dan \( {E}_{CB}^{Ga_2{O}_3} \) menggunakan metode HSE06 untuk mengkonfirmasi lebih lanjut kesimpulan di atas, dan menemukan bahwa ∆E . yang dikoreksi C adalah 0,87 dan 1,08 eV untuk undoped- dan doped-β-Ga2 O3 /MoS2 heterojungsi masing-masing.
Kesimpulan
Kesimpulannya, masing-masing MoS2 film telah ditransfer ke nitrida dan nitrida -Ga2 O3 untuk membangun MoS2 /β-Ga2 O3 heterojungsi. Spektroskopi Raman digunakan untuk menyelidiki kualitas MoS yang ditransfer2 film, dan studi SIMS dilakukan untuk menyelidiki profil kedalaman unsur MoS2 /β-Ga2 O3 heterojungsi dengan nitridasi. VBO ditentukan menjadi 2,62 ± 0,1 eV untuk MoS nitridasi2 /β-Ga2 O3 heterojunction dan 2,87 ± 0,1 eV untuk heterojunction unnitrided oleh XPS, masing-masing. CBO yang dihasilkan disimpulkan menjadi 0,68 ± 0,1 dan 0,43 ± 0,1 eV, yang berada dalam tren yang sama dengan perhitungan DFT. Temuan ini menunjukkan bahwa band offset dapat dimodifikasi melalui proses nitridasi permukaan. Studi ini menawarkan perspektif yang luar biasa tentang implementasi perangkat elektronik yang dirancang berdasarkan heterojungsi vertikal 2D/3D.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang mendukung kesimpulan naskah ini disertakan dalam naskah.
