Jarak Energi Bergantung pada Suhu dan Dekomposisi Film Tipis MoSe₂ yang Ditumbuhi MBE

Latar Belakang

Kalkogen logam transisi dua dimensi (TMD) telah menjadi area penelitian yang gempar karena fenomena elektronik, optik, dan lembah yang unik [1–7]. TMD semikonduktor biasanya menunjukkan jarak energi langsung di titik K pada batas monolaer, yang menghasilkan transisi eksiton yang jelas [8–17] yang meningkatkan kinerja optoelektronik [18–25]. MoSe₂ sangat menarik, dengan jarak energi langsung 1,55 eV yang sesuai dengan optimum Shockley–Queisser untuk fotovoltaik selaras tunggal [26–30]. Modifikasi jarak energi melalui kontrol suhu atau oksidasi parsial membuka jalan untuk perangkat penyerapan cahaya yang dapat diatur [31, 32]. Namun, stabilitas suhu tinggi film MoSe₂ belum dieksplorasi secara sistematis, sebagian besar karena produksi film ultrathin kristal tunggal luas area adalah tantangan.

Teknik pertumbuhan seperti depoziasi uap kimia (CVD), depoziasi laser terpadu, dan epitaksi molekular-busur (MBE) telah memajukan sintesis film TMD [5, 33–35]. Meskipun CVD dapat menghasilkan film seragam, ukuran butir sering kali tetap terbatas; CVD organo-logam telah memperbaiki ini tetapi masih menghasilkan film policristal [36]. Sebaliknya, MBE dapat menghasilkan film epitaksial, datar secara atomik dengan kontrol ketebalan yang tepat melalui difraksi elektron tenaga tinggi refleksi in-situ (RHEED) [1]. Ini membuat MBE ideal untuk studi fundamental tentang properti yang bergantung pada suhu.

Dalam karya ini, kami melaporkan perilaku optik dan stoikiometri suhu tinggi film ultrathin MoSe₂ yang ditumbuhi MBE. Menggunakan elipsometri spektroskopik, kami melacak jarak energi di seluruh rentang suhu yang luas dan secara langsung mengamati proses dekomposisi melalui pengukuran kristalinitas permukaan dan komposisi.

Metode

Film MoSe₂ ditumbuhi epitaksial pada substrat SiC 6H yang di-graphen dalam ruang MBE buatan sendiri dengan tekanan dasar 1 × 10⁻¹⁰ Torr. Bilayer graphen disiapkan dengan memanaskan SiC pada 1300 °C selama ~5 menit mengikuti protokol yang diriset [1]. Ketidakcocokan jaring antara MoSe₂ dan graphen adalah ~0,3 %. Molibdenum dan selenium diavaporkan menggunakan sumber busur elektron dan sel penguapan, masing-masing, pada suhu substrat 250 °C dan laju pertumbuhan 0,1 ML min⁻¹. Analing pasca pada 600 °C selama 30 menit diikuti, dan RHEED memantau permukaan selama pertumbuhan (18 kV).

Kristalinitas film dikonfirmasi dengan difraksi X resolusi tinggi (HRXRD, Bruker D8 Discover). Refleksi optik diukur dengan dua elipsometer spektroskopik (J.A. Woollam V‑VASE): satu di udara dan satu dalam ruang UHB terpisah. Stoikiometri dianalisis dengan spektroskopi penyerapan ion energi sedang waktu-penerbangan (TOF‑MEIS, KMAC MEIS‑K120) menggunakan balun He⁺ 100,8 keV. Estimasi ketebalan menggunakan densitas massa 3,21 g cm⁻³ untuk SiC dan 6,98 g cm⁻³ untuk MoSe₂.

Hasil dan Diskusi

Tiga film MoSe₂ dengan ketebalan nominal 1, 2,5, dan 16 ML dibuat pada graphen/SiC. Pola RHEED (Gambar 1a–c) mengonfirmasi pertumbuhan epitaksial: garis tajam untuk film 1 dan 2,5 ML dan pola yang lebih lemah dan membulat untuk film 16 ML, yang mengindikasikan ketidakteraturan dalam bidang yang meningkat pada ketebalan yang lebih tinggi. HRXRD dari sampel 16 ML (Gambar 1d) hanya menunjukkan refleksi (00n), yang memberikan bukti pengurutan sumbu c meskipun ada ketidakteraturan permukaan.

Spektra elipsometri suhu kamar (Gambar 2) menampilkan puncak eksiton A (~1,5 eV) dan B (~1,7 eV) yang khas untuk semua ketebalan, sesuai dengan pengukuran sebelumnya pada MoSe₂ eksfoliat dan CVD [38, 44]. Energi puncak A menunjukkan ketergantungan ketebalan minimal, yang mengonfirmasi sifat jarak energi langsung dari monolaer. Jarak energi optik yang diekstrak (E_g(300 K)) meningkat tajam dari 1,54 eV (2,5 ML) hingga 2,18 eV (1 ML), yang mencerminkan transisi langsung-ke-tidak-langsung (Tabel 1).

Elipsometri yang bergantung pada suhu (Gambar 3) mengungkapkan perpindahan merah kontinu dari fitur eksiton hingga suhu dekomposisi (T_dec) yang naik dari 700 °C (1 ML) hingga 725 °C (16 ML). Di atas T_dec, spektrum menjadi tidak berfitur, yang mengindikasikan kehilangan urutan kristal. Nilai T_dec jauh lebih rendah daripada MoSe₂ massa (≈1200 °C di udara, 980 °C dalam UHB) [46, 47], yang menekankan kerapuhan termal lapisan ultrathin.

Puncak eksiton A bergeser secara linier dengan suhu hingga T_dec (Gambar 4b), mencerminkan perilaku yang diamati pada monolaer eksfoliat [26]. Jarak energi optik yang diperoleh dari plot Tauc juga menurun secara linier di seluruh rentang suhu (Gambar 4c). Pencocokan dengan model vibronik Huang–Rhys menghasilkan E_g(0) antara 1,5 dan 2,32 eV dan parameter pengaitan S dari 3–4, dengan energi fonon tetap 11,6 meV [26]. Parameter ini berbeda dari yang diperoleh untuk energi eksiton pada monolaer tetapi selaras dengan nilai yang dilaporkan untuk semikonduktor III‑V massa (misalnya, GaAs, GaP) [48–51], yang menunjukkan bahwa ekspansi termal mendominasi kontraksi jarak energi di atas 150 K [53].

Untuk menyelidiki mekanisme dekomposisi, RHEED dan TOF‑MEIS dilakukan pada film 2‑ML yang dianaling pada 600, 720, dan 850 °C (Gambar 5). RHEED menunjukkan pola garis pada 600 °C, titik tambahan pada 720 °C, dan kehilangan lengkap difraksi pada 850 °C. Profil kedalaman TOF‑MEIS mengungkapkan rasio stoikiometri Mo:Se 1:2 pada 600 °C, sedangkan pada 720 °C rasio menurun menjadi 1:1,7 dan ketebalan film meningkat menjadi ~1,6 nm, yang menunjukkan kehilangan selenium dan kerangkaan permukaan. Dengan demikian, MoSe₂ mulai menjadi tidak teratur dan dekomposisi di atas 720 °C, meninggalkan lapisan molibdenum yang tidak teratur pada 850 °C. Observasi ini memberikan dasar konkret untuk merancang jalur pemrosesan suhu tinggi untuk perangkat kalkogen logam.

Kesimpulan

Kami telah memeriksa properti optik yang bergantung pada suhu dan perilaku dekomposisi film ultrathin MoSe₂ yang ditumbuhi MBE. Jarak energi menurun secara linier dengan suhu, yang digambarkan dengan baik oleh model vibronik Huang–Rhys, sementara suhu dekomposisi meningkat seiring ketebalan film. Temuan ini menetapkan batas termal kritis untuk perangkat elektronik dan optoelektronik berbasis MoSe₂ dan memberikan fondasi untuk strategi pembuatan suhu tinggi kalkogen logam terkait.

Singkatan

CVD:

Depoziasi uap kimia;

E_g(0):

Jarak energi pada 0 K;

E_g(300 K):

Jarak energi pada 300 K;

HRXRD:

Difraksi X resolusi tinggi;

MBE:

Epitaksi molekul-busur;

RHEED:

Difraksi elektron tenaga tinggi refleksi;

T_dec:

Suhu dekomposisi;

TMD:

Kalkogen logam transisi;

TOF‑MEIS:

Spektroskopi penyerapan ion energi sedang waktu-penerbangan;