Film WS₂ Luas dengan Domain Tunggal Raksasa yang Tumbuh melalui CVD Tekanan Atmosferik

Abstrak

Kami telah memproduksi film WS₂ tipis atomis berkualitas tinggi dengan ukuran domain tunggal melebihi 400 µm pada substrat Si/SiO₂ menggunakan proses pengendapan uap kimia tekanan atmosferik (AP-CVD) satu tahap. Dengan mengoptimalkan secara sistematis pilihan prekursor, tekanan kamera, suhu pertumbuhan, waktu tahan, jumlah sulfur, dan aliran gas, kami berhasil mencapai domain WS₂ lapis tunggal dengan ukuran rata-rata di atas 100 µm. Analisis Raman, AFM, TEM, dan PL mengonfirmasi ketebalan lapis tunggal film, kristalinitas heksagonal, dan respons optik bergantung pada lapisan, yang menekankan kesesuaianannya untuk perangkat optoelektronik terukur.

Latar Belakang

Material dua dimensi (2D) memegang peran kunci untuk elektronika dan fotonik generasi berikutnya, menawarkan penahanan kuantum, mobilitas pengisi yang tinggi, dan fleksibilitas. Meskipun grafen unggul dalam konduktivitas, nolnya bandgap membatasi aplikasi semikonduktor. Dalkogenida logam transisi (TMDC), seperti WS₂, menyediakan bandgap langsung, kopling spin-orbit yang kuat, dan interaksi cahaya-materia yang kuat, menjadikannya menarik untuk transistor, detektor cahaya, dan fotovoltaik. Metode pembuatan—eksfoliasi mekanis, sulfidasi, dekomposisi termal, dan CVD—masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Khususnya CVD menawarkan film luas dan seragam dengan ketebalan yang dapat dikontrol, namun mencapai lapis tunggal berkualitas tinggi tetap menantang karena kimia prekursor, kontrol suhu, dan dinamika gas. Penelitian ini mengatasi tantangan ini dengan mengoptimalkan parameter pertumbuhan AP-CVD untuk menghasilkan film WS₂ domain tunggal skala milimeter yang cocok untuk integrasi perangkat.

Metode

Bubuk WO₂.₉ murni tinggi (99,99 %) dan S (99 %) digunakan sebagai sumber tungsten dan sulfur, masing-masing. Wafer SiO₂/Si (300 nm SiO₂) dibersihkan secara berurutan dalam etanol, propanol isobutil, dan air deion (ultrasonikasi 15 menit masing-masing). Pellet WO₂.₉ seberat 0,1 g ditempatkan dalam silang kuarsa, dengan wafer dihadapkan ke bawah di atasnya. Perahu kuarsa yang berisi sulfur ditempatkan di hulu. Tabung kuarsa (diameter 60 mm) dihembuskan hingga 100 mTorr, kemudian dibersihkan dengan Ar (500 sccm) selama 30 menit. Suhu pertumbuhan bervariasi dari 750 hingga 950 °C, dinaikkan dengan laju 10 °C menit⁻¹, dipanaskan tahan selama 5–30 menit, kemudian pendinginan alami. Tekanan taburnya dipertahankan pada tekanan atmosfer selama pertumbuhan. Setelah sintesis, film dikarakterisasi dengan SEM (Hitachi S4800, 5–10 kV), Raman (Nanophoton Raman‑11, referensi Si 520 cm⁻¹), AFM (Bruker Multimode 8, mode ketukan), PL (laser 532 nm, mikro-PL konfokal), TEM (JEOL JEM‑2100F, 200 kV), dan EDS.

Hasil dan Pembahasan

Pilihan Prekursor (WO₃ versus WO₂.₉)

Pengcitraan SEM mengungkapkan bahwa WO₂.₉ menghasilkan domain WS₂ segitiga yang melimpah, sedangkan WO₃ menghasilkan pertumbuhan WS₂ yang tidak signifikan. Kandungan W⁶⁺ yang tereduksi dalam WO₂.₉ memfasilitasi assimilasi sulfur awal, mempromosikan nukleasi dan pertumbuhan.

Tekanan Tabung

Membandingkan tekanan rendah (<100 mTorr) dengan tekanan atmosfer, yang terakhir menghasilkan domain segitiga >100 µm, sedangkan tekanan rendah hanya menghasilkan flak serupa daun WO₃. Tekanan yang lebih tinggi memendekkan jalur bebas rata-rata, meningkatkan frekanasi tabrakan, dan menurunkan ambang energi nukleasi, sehingga meningkatkan densitas nukleasi dan ukuran domain WS₂.

Suhu Pertumbuhan

Ukuran domain awalnya meningkat seiring dengan suhu (optimal pada 900 °C), kemudian menurun di atas 950 °C karena retakan termal. Suhu menyeimbangkan difusi prekursor, laju reaksi permukaan, dan pembentukan cacat.

Waktu Tahan

Memperpanjang periode pertumbuhan dari 5 menit ke 10 menit memperluas ukuran domain dari ~30 µm ke ~120 µm; waktu lebih lama (20–30 menit) menunjukkan pengembalian yang menurun karena akumulasi cacat dan efek impingement.

Jumlah Sulfur

Pemuatan sulfur optimal adalah 0,7 g. Jumlah yang lebih rendah (<0,5 g) menghasilkan sulfida yang tidak lengkap; jumlah yang lebih tinggi (>0,9 g) menghasilkan partikel WOₓSᵧ dan tepian yang tidak teratur, mengurangi kristalinitas. Target 0,7 g menyeimbangkan supersaturasi dan densitas nukleasi, menghasilkan domain segitiga yang halus.

Laju Aliran Gas

Meningkatkan aliran Ar dari 50 ke 160 sccm memperbesar domain (~60 µm pada 120 sccm hingga ~100 µm pada 160 sccm) dan memajamkan tepian dengan mengurangi rasio W:S. Aliran di atas 160 sccm menyebabkan turbulensi dan cacat, menghentikan pertumbuhan ukuran.

Posisi Substrat

Posisi wafer secara langsung di atas sumber WO₂.₉ (substrat A) menghasilkan domain ~200 µm karena suhu lokal dan konsentrasi prekursor yang lebih tinggi; tempatan downstream (substrat B) menghasilkan domain ~10 µm.

Optimasi dan Karakterisasi

Kondisi optimal: 0,1 g WO₂.₉, 0,7 g S, substrat A, 900 °C, tahan 10 menit, 160 sccm Ar, tekanan atmosfer. SEM menunjukkan domain segitiga ~400 µm. Pemetaan Raman mengungkapkan puncak karakteristik E¹₂g (~352 cm⁻¹) dan A₁g (~419 cm⁻¹); pemisahan 71 cm⁻¹ mengonfirmasi film 2–3 lapis, sedangkan 67 cm⁻¹ menunjukkan wilayah lapis tunggal. Tinggi AFM 0,82 nm cocok dengan WS₂ lapis tunggal. PL menunjukkan emisi 627 nm yang kuat (bandgap langsung ~2 eV) dengan FWHM ~47 meV, mengonfirmasi kualitas optik yang tinggi. TEM dan SAED mengonfirmasi simetri heksagonal dengan jarak d 0,271 nm (100) dan 0,155 nm (110), yang cocok dengan WS₂ massa.

Kesimpulan

Eksplorasi sistematis parameter AP-CVD—jenis prekursor, tekanan, suhu, waktu, pemuatan sulfur, aliran gas, dan penempatan substrat—memungkinkan pembuatan film WS₂ lapis tunggal berkualitas tinggi skala milimeter dengan ukuran domain tunggal hingga 400 µm. Film menunjukkan kristalinitas utuh, tanda tangan Raman bergantung pada lapisan, PL yang kuat, dan permukaan rata atomis, yang menetapkan jalur terukur untuk optoelektronik, fotovoltaik, fotokatalisis, dan perangkat penyimpanan energi berbasis TMDC.

Singkatan

2D:

Dua dimensi

AFM:

Mikroskopi gaya atom

APCVD:

Pengendapan uap kimia tekanan atmosferik

EDS:

Spektroskopi energi-dispersif

FWHM:

Lebar paruh maksimum

LPCVD:

Pengendapan uap kimia tekanan rendah

PL:

Fotoluminescensi

SAED:

Diffraksi elektron area terpilih

SEM:

Mikroskopi elektron pemindai

TEM:

Mikroskopi elektron transmisi

TMDCs:

Dalkogenida logam transisi