Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Pertumbuhan Selektif WSe2 dengan Kontak Grafena

Abstrak

Nanoelektronik bahan dua dimensi (2D) dan aplikasi terkait terhalang dengan masalah kontak kritis dengan lapisan tunggal semikonduktor. Untuk mengatasi masalah ini, tantangan mendasar adalah pembuatan transistor tipe-p atau ambipolar yang selektif dan terkendali dengan penghalang Schottky yang rendah. Kebanyakan transistor tipe-p didemonstrasikan dengan selenida tungsten (WSe2 ) tetapi suhu pertumbuhan yang tinggi diperlukan. Di sini, kami menggunakan promotor penyemaian dan proses CVD tekanan rendah untuk meningkatkan WSe berurutan2 pertumbuhan dengan penurunan suhu pertumbuhan 800 °C untuk mengurangi fluktuasi komposisi dan kualitas antarmuka hetero yang tinggi. Perilaku pertumbuhan WSe berurutan2 pertumbuhan di tepi graphene berpola dibahas. Dengan kondisi pertumbuhan yang dioptimalkan, antarmuka berkualitas tinggi dari WSe yang dijahit secara lateral2 -graphene dicapai dan ditandai dengan mikroskop elektron transmisi (TEM). Pembuatan perangkat dan performa elektronik dari WSe yang dijahit secara lateral2 -graphene disajikan.

Pengantar

Bahan monolayer van der Waals, seperti graphene dan transisi logam dichalcogenide (TMD), menunjukkan kinerja elektronik yang sangat baik dan tubuh yang tebal secara atom tanpa ikatan yang menggantung di permukaan, yang menawarkan solusi potensial untuk batas dasar bahan saluran dalam hukum Moore, seperti saluran pendek efek dan berbagai tantangan dalam penskalaan [1, 2]. Dalam dekade terakhir, nanoelektronik bahan dua dimensi (2D) dan aplikasi terkait sangat terhambat oleh masalah kontak kritis dengan lapisan tunggal TMD semikonduktor karena efek penyematan tingkat Fermi yang signifikan dari cacat yang terlibat dalam proses sintetis, fabrikasi, dan integrasi [ 3,4,5,6]. Upaya yang cukup besar, termasuk rekayasa fase bahan saluran (dari fase semikonduktor 1H ke fase 1T konduktif) [7], geometri kontak [8,9,10,11], dan rekayasa antarmuka dengan lapisan buffer graphene [12, 13], dilakukan untuk pertunjukan elektronik penting dengan properti kontak yang ditingkatkan.

Baru-baru ini, integrasi graphene konduktif dan TMD semikonduktor untuk kontak yang lebih baik dan sifat baru diwujudkan dengan pertumbuhan langsung TMD menggunakan deposisi uap kimia di tepi graphene berpola artifisial [14,15,16,17,18,19,20,21] . Heterojunctions antara bahan 2D yang berbeda memungkinkan multifungsi penting dari saluran monolayer untuk kapasitas yang lebih luas dan integrasi [22,23,24,25,26,27]. Penghalang tunneling yang lemah dicapai pada heterojunction dari MoS yang dijahit secara lateral2 -graphene, mengaktifkan gerbang inverter dan negatif-AND (NAND) untuk rangkaian lengkap rangkaian logika berdasarkan bahan 2D [16, 17]. Tujuan penting berikutnya adalah mewujudkan unit elektronik dasar dari inverter semikonduktor oksida logam komplementer (CMOS) dan sirkuit logika lainnya dengan bahan 2D yang dapat diskalakan. Menuju tujuan ini, bagaimanapun, tetap menjadi tantangan jangka panjang pada fabrikasi selektif dan terkendali transistor tipe-p atau ambipolar dengan penghalang Schottky rendah [28]. Kebanyakan transistor tipe-p didemonstrasikan dengan selenida tungsten (WSe2 ) tetapi suhu tinggi diperlukan untuk WSe2 pertumbuhan karena suhu penguapan yang lebih tinggi dari WO3 prekursor [29,30,31]. Sintesis suhu rendah dari pertumbuhan monolayer sekuensial pada bahan 2D pra-pola terutama dicapai dengan TMD berbasis Mo.

Di sini, kami menggunakan promotor penyemaian dan proses CVD tekanan rendah untuk meningkatkan WSe berurutan2 pertumbuhan dengan suhu pertumbuhan berkurang untuk mengurangi fluktuasi komposisi dan kualitas hetero-interface yang tinggi [32, 33]. Perilaku pertumbuhan WSe berurutan2 pertumbuhan di tepi graphene berpola dibahas. Dengan kondisi pertumbuhan yang dioptimalkan, antarmuka berkualitas tinggi dari WSe yang dijahit secara lateral2 -graphene dicapai dan dipelajari dengan TEM. Pembuatan perangkat dan performa elektronik dari WSe yang dijahit secara lateral2 -graphene disajikan.

Metode/Eksperimental

Sintesis WSe2 dan Grafena

WS area luas2 film disintesis pada safir dan SiO2 /Si substrat di tungku. Sebelum proses pertumbuhan, substrat dibersihkan dengan aseton, isopropanol, dan kemudian air masing-masing selama 10 menit. Perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic acid tetrapotassium salt (PTAS) dilapisi secara merata pada permukaan substrat sebagai promotor penyemaian untuk meningkatkan aktivitas dan laju pertumbuhan lapisan tunggal. Prekursor padat dengan kemurnian tinggi dari WO3 (Alfa Aesar, 99,9995% CAS#1313-27-5) dan Se (Sigma-Aldrich, 99,5% CAS#7704-34-9) ditempatkan dalam dua cawan lebur keramik, dan substrat ditempatkan menghadap ke atas dan di samping WO 3 bubuk. WSe2 sampel disintesis selama 800~900 °C selama 10 menit dengan laju pemanasan 30 °C min −1 dan di bawah campuran N2 /H2 mengalir pada 1,2 Torr. Grafena disintesis pada Cu foil pada 1000 °C selama 10 menit dengan laju pemanasan 30 °C min −1 dan di bawah campuran CH4 /H2 mengalir pada 4 Torr. Pola graphene dilakukan dengan litografi e-beam dan etsa plasma oksigen.

Fabrikasi Perangkat

Grafena-WSe2 perangkat dibuat tanpa transfer sampel. Proses litografi E-beam dilakukan untuk menentukan elektroda pada lapisan graphene berpola. Lapisan logam tipis Pd (40 nm) diendapkan menggunakan penguapan e-beam dan proses pengangkatan berikutnya dilakukan dalam aseton. Lapisan enkapsulasi dan dielektrik gerbang perangkat dibuat dengan menggunakan deposisi lapisan atom (ALD) tipis Al2 O3 film (50 nm). Sebuah logam tipis Pd (40 nm) diendapkan pada lapisan dielektrik untuk digunakan sebagai elektroda gerbang. Untuk meningkatkan kinerja elektronik, perangkat dianil pada ~ 120 °C selama ~ 12 h dalam lingkungan vakum ~ 10 −5 Tor.

Karakterisasi

Spektrum Raman dan photoluminescence (PL) diperoleh dengan spektroskopi Raman confocal komersial (Micro Raman/PL/TR-PL Spectrometer, Rammaker, Protrustech). Panjang gelombang dan ukuran titik laser masing-masing adalah 532 nm dan 1-2 μm. Kisi-kisi tipikal digunakan dengan 300 g/mm untuk PL (resolusi rendah) untuk mendapatkan spektrum pita lebar dan (resolusi tinggi) 1800 g/mm untuk sinyal Raman untuk mendapatkan informasi detail material. Sampel TEM disiapkan dengan menggunakan teknik transfer PMMA standar untuk menempatkan graphene-WSe2 nanosheets ke kisi-kisi Cu karbon berlubang. Gambar TEM dilakukan pada tegangan percepatan 80 kV (Cs-corrected STEM, JEOL, JEM-ARM200F). Pengukuran listrik diukur menggunakan Agilent B1500a Semiconductor Device Analyzer.

Hasil dan Diskusi

Untuk mengontrol sintesis heterojungsi lateral graphene dan WSe2 , pertumbuhan berurutan dari TMD monolayer di tepi graphene ditunjukkan pada Gambar. 1a. Grafena monolayer pertama kali ditanam pada foil tembaga dan kemudian dipindahkan ke substrat safir segar dengan menggunakan metode transfer berbantuan PMMA standar. Litografi e-beam konvensional dan O2 proses etsa plasma dilakukan untuk menentukan wilayah pertumbuhan berurutan dari WSe monolayer2 . Sintesis langsung dari monolayer WSe2 di tepi graphene berpola pada substrat safir dicapai dengan CVD tekanan rendah dengan PTAS sebagai promotor penyemaian. Informasi lebih rinci tentang sintesis dijelaskan di bagian “Metode/Eksperimental”. Pada Gambar. 1b, pemetaan Raman dari pita G’ pada graphene-WSe yang dijahit secara lateral2 menampilkan kontras yang seragam, yang menegaskan pengurangan kerusakan graphene pra-pola setelah sintesis CVD berurutan dari WSe2 pertumbuhan. Pada Gambar. 1c, gambar AFM dari pola pertumbuhan graphene-WSe2 menunjukkan morfologi permukaan halus dari monolayer heterojunction. Gambar 1d menyajikan spektrum Raman dari E2g mode (WSe2 —biru) dan pita G’ (graphene—hijau) sebagai label pada Gambar 1c, yang konsisten dengan penelitian yang dilaporkan [34]. Untuk mengilustrasikan keseragaman heterojungsi yang tumbuh, pemetaan Raman dari graphene-WSe berpola2 ditunjukkan pada Gambar. 1 e dan f, masing-masing. Kontras seragam intensitas Raman dalam gambar pemetaan diamati dengan jelas, menunjukkan sintesis yang dapat dikontrol pada pertumbuhan heterogen WSe monolayer berkualitas tinggi2 di tepi graphene pra-pola.

Pertumbuhan terkontrol dari WSe2 pada graphene berpola. a Skema WSe yang dijahit secara lateral2 -sintesis grafena. b Pemetaan Raman untuk pita G’ dari graphene dan c Gambar AFM dari pola pertumbuhan WSe2 -grafena. d Spektrum Raman dari E2g mode (WSe2 —biru) dan pita G’ (graphene—hijau) di c . Pemetaan Raman dari e E2g mode WSe2 dan f pita G’ dari graphene dalam heterojunction monolayer

Untuk memperjelas perilaku pertumbuhan graphene-TMD yang dijahit, WSe2 sintesis pada graphene berpola dilakukan dengan dan tanpa promotor. Gambar 2 a dan b menunjukkan WSe2 pertumbuhan pada suhu yang berbeda tanpa PTAS sebagai promotor penyemaian. Di atas 850 °C, pertumbuhan sekuensial WS2 muncul di tepi graphene. Suhu pertumbuhan yang tinggi untuk WSe2 pertumbuhan diperlukan karena reaktan gas tereduksi untuk prekursor padat WO3 , seperti yang diuraikan dalam makalah sebelumnya [29,30,31]. Batas halus secara makroskopik dari WSe yang tumbuh2 menyiratkan distribusi acak dan ukuran butir kecil. Sebaliknya, WSe2 sequential berurutan pertumbuhan pada suhu yang berbeda dengan PTAS sebagai promotor penyemaian disajikan pada Gambar. 2 c dan d. Promotor PTAS secara signifikan mengurangi suhu pertumbuhan untuk WSe sekuensial yang sempurna2 pertumbuhan di tepi graphene dengan ukuran domain yang lebih besar, yang mirip dengan perilaku pertumbuhan di heterojungsi TMD-TMD [22]. Setelah WSe2 sequential berurutan pertumbuhan pada 800 °C, pengamatan kontras yang seragam dan intensitas yang lebih tinggi dalam pemetaan Raman dari pita G’ (graphene) menunjukkan penurunan kerusakan graphene karena pertumbuhan suhu rendah. Dengan peningkatan suhu, WSe2 . terus menerus film mengisi daerah berpola dengan kontak ideal ke tepi graphene berpola (Gbr. 2d). Perhatikan bahwa ukuran domain yang lebih besar dengan bentuk segitiga yang jelas dari monolayer WSe2 dijahit ke tepi graphene (Gbr. 2c), menunjukkan kualitas WSe berurutan yang lebih baik2 pertumbuhan. Dengan kondisi pertumbuhan yang dioptimalkan pada promotor dan suhu penyemaian, WSe monolayer yang dapat diskalakan dan berkualitas tinggi2 direalisasikan oleh sistem LPCVD seperti yang disajikan dalam informasi pendukung (File tambahan 1:Gambar S1). Patut dicatat bahwa sintesis TMD berurutan di tepi graphene berpola diamati secara universal di heterojungsi lain dari TMD dan graphene yang berbeda seperti yang ditunjukkan dalam informasi pendukung (File tambahan 1:Gambar S2).

WSe yang bergantung pada suhu2 pertumbuhan dengan promotor penyemaian:Gambar optik, gambar pemetaan Raman dari A1g mode (WSe2 ) dan pita G’ (graphene) dari sampel yang disintesis pada suhu yang berbeda a , b tanpa dan c , d dengan PTAS sebagai promotor penyemaian

Untuk menyelidiki lebih lanjut heterojunction dari WSe2 -graphene, pengukuran mikroskop elektron transmisi (HRTEM) resolusi tinggi dilakukan. Pada Gambar. 3a, gambar TEM area yang dipilih menunjukkan bahwa wilayah yang tumpang tindih antara garis putus-putus hitam (ujung graphene) dan hijau (ujung TMD) terdiri dari graphene pra-pola dan WSe yang tumbuh berurutan2 lapisan tunggal. Lebar wilayah yang tumpang tindih adalah sekitar 500 nm. Gambar TEM seperti amorf untuk kisi graphene diamati seperti yang diharapkan karena distorsi graphene yang tidak dapat dihindari dengan berkas elektron energik. Gambar 3 c dan d menyajikan pengamatan yang dihitung dan eksperimental pada gambar HRTEM untuk pemahaman yang lebih baik tentang pertumbuhan TMD berurutan di heterojungsi. Pengamatan kisi heksagonal dan sel satuan graphene (~ 2.5 Å) dan WSe2 (~ 3.3 Å) konsisten dengan parameter dalam kisi massal graphene (2.46 Å) dan WSe2 (3,28 Å). Karakterisasi TEM menunjukkan bahwa WSe2 . berurutan pertumbuhan dimulai di tepi graphene pra-pola karena kepadatan cacat yang lebih tinggi di tepi graphene meningkatkan pertumbuhan pulau vertikal dengan lebih banyak situs nukleasi. Ketidakcocokan kisi besar lebih dari 20% antara kisi graphene dan TMD mungkin bertanggung jawab atas antarmuka gangguan dengan kepadatan cacat yang lebih tinggi dan untuk gabungan pertumbuhan TMD vertikal dan lateral di heterojunction. Selain itu, sisipan pada Gambar. 3d menunjukkan difraktogram yang sesuai dengan transformasi Fourier cepat (FFT) dari gambar atom ruang nyata di wilayah tumpang tindih dan wilayah graphene. Hanya satu set pola difraksi yang diamati di wilayah graphene (kiri), sementara dua set pola difraksi yang diputar dengan sudut puntir 0,35 ° diamati di wilayah yang tumpang tindih (kanan). Sudut puntir yang sangat berkurang antara graphene dan WSe2 kisi menyiratkan bahwa pertumbuhan berurutan dari WSe2 mendukung penumpukan yang koheren di tepi graphene.

Karakterisasi TEM dari heterojunction dari graphene-WSe yang dijahit secara lateral2 . a Gambar perbesaran rendah, b ilustrasi skema, c disimulasikan, dan d mengamati gambar HRTEM dari heterojunction dari graphene-WSe2 . Sisipan kanan menunjukkan gambar FFT dari wilayah tumpang tindih WSe yang ditumpuk2 pada graphene, sedangkan sisipan kiri menampilkan graphene. Pemetaan Raman dari e E2g mode WSe2 dan f pita G’ dari graphene dalam heterojunction monolayer

Untuk mendemonstrasikan properti efek medan dari WSe yang sudah berkembang2 dijahit di tepi perangkat hetero graphene berpola, perangkat dibuat tanpa transfer sampel. Proses fabrikasi yang disesuaikan berdasarkan fungsionalitas permukaan untuk litografi e-beam pada isolator dikembangkan. Performa transportasi elektronik dari graphene-WSe yang dijahit2 Perangkat dipelajari dengan menghubungkan elektroda logam (Pd 40 nm) dengan graphene berpola dan menyetorkan Al2 O3 (50 nm) sebagai dielektrik gerbang. Gambar 4 a dan b masing-masing menunjukkan ilustrasi skema perangkat heterojungsi berpagar atas dan gambar optik perangkat buatan. Pengukuran transpor elektronik dua terminal dilakukan menggunakan stasiun probe komersial (Lake Shore Cryotronics PS-100 dengan Agilent B1500a) di bawah vakum pada suhu kamar. Kurva transfer perangkat menunjukkan perilaku transportasi tipe-p dengan rasio hidup/mati (~ 10 4 ) dan arus aktif tinggi sekitar beberapa 100 nA (Gbr. 4c). Mobilitas efek medan perangkat di wilayah linier adalah sekitar 0,07 cm 2 /V di V d = 2 V, yang dievaluasi menggunakan persamaan berikut:

$$ \mu =\frac{1}{C_{\mathrm{ox}}}\frac{L}{W}\frac{\partial {I}_{\mathrm{D}}}{\partial {V }_{\mathrm{G}}}\frac{1}{V_{\mathrm{D}}} $$ (1)

dimana C sapi = ε 0 ε r /d adalah kapasitansi oksida dan L (9 μm) dan A (24 μm) adalah panjang saluran dan lebar saluran, masing-masing. Selain itu, kurva output perangkat pada berbagai tegangan gerbang ditunjukkan pada Gambar. 4d. Garis linier I -V kurva mengkonfirmasi kontak yang baik antara lapisan graphene dan WSe2 lapisan. Performa elektronik yang ditingkatkan dari heterojunction monolayer TMD-graphene yang dijahit dicapai karena sifat kontak yang ditingkatkan, menunjukkan sintesis untuk pertumbuhan TMD berurutan di tepi graphene berpola artifisial menggerakkan langkah signifikan menuju nanoelektronik 2D.

Performa elektronik WSe2 dengan kontak graphene yang dijahit. a Skema, b gambar optik, c kurva transfer, dan d kurva output dari perangkat heterojunction monolayer top-gated dari graphene-WSe yang dijahit2

Kesimpulan

WSe berurutan2 pertumbuhan di tepi graphene berpola dicapai pada safir dengan menggunakan LPCVD yang dibantu promotor. Promotor PTAS secara signifikan mengurangi suhu pertumbuhan untuk WSe sekuensial yang ideal2 pertumbuhan di tepi graphene dengan ukuran domain yang lebih besar.

Karakterisasi TEM menunjukkan bahwa WSe2 . berurutan pertumbuhan dimulai di tepi graphene pra-pola. Sudut puntir yang sangat berkurang antara graphene dan WSe2 kisi menyiratkan bahwa WSe2 sequential berurutan pertumbuhan mendukung penumpukan yang koheren di tepi graphene. Performa elektronik yang ditingkatkan dari heterojunction monolayer TMD-graphene yang dijahit dicapai karena sifat kontak yang ditingkatkan.

Ketersediaan Data dan Materi

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang diterbitkan ini dan file informasi tambahannya.

Singkatan

2D:

Dua dimensi

AES:

Spektroskopi elektron Auger

EIS:

Spektroskopi impedansi elektrokimia

SEM:

Pemindaian mikroskop elektron

TEM:

Mikroskop elektron transmisi

TMD:

Dichalcogenides logam transisi

XPS:

Spektroskopi fotoelektron sinar-X

XRD:

difraksi sinar-X


bahan nano

  1. Pengantar Pencetakan 3D dengan Sintering Laser Selektif
  2. Grafena nanoribbon
  3. Transistor Efek Medan Nanoflake Multi-Lapisan dengan Kontak Au Ohmic Resistensi Rendah
  4. RGO dan Jaringan Grafena Tiga Dimensi TIM yang dimodifikasi bersama dengan Kinerja Tinggi
  5. Promosi Pertumbuhan Sel SH-SY5Y oleh Nanopartikel Emas Dimodifikasi dengan 6-Mercaptopurine dan Neuron-Penetrating Peptide
  6. Evaluasi Struktur Grafena/WO3 dan Grafena/CeO x Sebagai Elektroda untuk Aplikasi Superkapasitor
  7. Graphene/Polyaniline Aerogel dengan Superelastisitas dan Kapasitansi Tinggi sebagai Elektroda Superkapasitor Toleran Kompresi
  8. Sintesis Kawat Nano Co3O4 yang Ramah Lingkungan dan Mudah serta Aplikasi Menjanjikannya dengan Grafena dalam Baterai Lithium-Ion
  9. Nanokomposit Berbasis Grafena Oksida Dihiasi dengan Nanopartikel Perak sebagai Agen Antibakteri
  10. Mengejar pertumbuhan dengan PPC Moulding Services