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

Film WS2 Area Besar dengan Domain Tunggal Besar yang Ditumbuhkan oleh Deposisi Uap Kimia

Abstrak

WS berkualitas tinggi2 film dengan ukuran domain tunggal hingga 400 μm ditumbuhkan pada Si/SiO2 wafer oleh deposisi uap kimia tekanan atmosfer. Efek dari beberapa parameter fabrikasi penting pada pertumbuhan terkontrol WS2 film telah diselidiki secara rinci, termasuk pilihan prekursor, tekanan tabung, suhu tumbuh, waktu penahanan, jumlah bubuk belerang, dan laju aliran gas. Dengan mengoptimalkan kondisi pertumbuhan pada satu tekanan atmosfer, kami memperoleh domain tunggal tungsten disulfida dengan ukuran rata-rata lebih dari 100 μm. Spektrum Raman, mikroskop gaya atom, dan mikroskop elektron transmisi memberikan bukti langsung bahwa WS2 film memiliki ketebalan lapisan atom dan struktur heksagonal domain tunggal dengan kualitas kristal yang tinggi. Dan spektrum fotoluminesensi menunjukkan bahwa film tungsten disulfida menunjukkan efisiensi fluoresensi yang bergantung pada nomor lapisan, tergantung pada struktur pita energinya. Studi kami memberikan dasar eksperimental yang penting untuk area yang luas, preparasi yang dapat dikontrol dari film tipis tungsten disulfide setebal atom dan juga dapat mempercepat pengembangan perangkat optoelektronik kinerja tinggi yang dapat diskalakan berdasarkan WS2 film.

Latar Belakang

Bahan dua dimensi memiliki signifikansi penelitian penting dalam elektronik masa depan dan optoelektronik karena keunggulan planar yang unik, efek kurungan kuantum, dan kurangnya interferensi interlayer. Sebagai bahan dua dimensi yang khas, graphene memiliki banyak sifat luar biasa, seperti mobilitas pembawa super tinggi, konduktivitas termal yang sangat baik, fleksibilitas luar biasa, dan respons foto ultracepat, yang telah disajikan sebagai bahan yang menjanjikan dalam berbagai bidang aplikasi generasi berikutnya. elektronik fleksibel, optoelektronika, dan penyimpanan energi [1]. Fermion Dirac tanpa massa memberikan graphene dengan mobilitas pembawa yang sangat tinggi, tetapi properti semi-logamnya dengan celah pita nol sangat membatasi penggunaannya dalam perangkat. Dalam beberapa tahun terakhir, dichalcogenides logam transisi monolayer seperti graphene telah membangkitkan minat luas dalam komunitas ilmiah dan menjadi fokus penelitian dalam semikonduktor mikro dan nanoelektronik karena celah pitanya yang moderat, mobilitas pembawa yang sangat baik, dan sifat listrik dan optik yang dapat disetel.

Dichalcogenides logam transisi dua dimensi (2D TMDCs) biasanya memiliki rumus kimia umum sebagai MX2 , di mana M adalah logam transisi golongan 4–10 (Mo, W, dll.) dan X adalah kalkogen (S, Se, Te, dll.). MX2 adalah senyawa berlapis khas, setiap sel satuan yang mengandung tiga lapisan atom (X-M-X). Atom-atom intralayer terikat erat dengan ikatan kovalen, dan atom-atom interlayer digabungkan oleh gaya van der Waals yang lemah [2]. Mirip dengan MoS2 , WS monolayer2 memiliki banyak sifat fisik baru yang dibedakan dari massanya, seperti celah pita langsung, kopling spin-orbit yang kuat, dan interaksi intens antara cahaya dan materi. Oleh karena itu, ia memiliki aplikasi potensial yang menjanjikan di masa depan perangkat optoelektronik dan mikro/nanoelektronik [3]. Sejauh ini, beberapa rute fabrikasi bahan dua dimensi lapisan tunggal telah ditetapkan, seperti pengelupasan mekanis, sulfurisasi film, dekomposisi termal, dan deposisi uap kimia. Di antara mereka, pengelupasan mekanis menderita kekurangan hasil yang rendah, pengulangan yang buruk, dan ukuran yang terbatas [4]. Dalam sulfurisasi film, W atau WO tipis3 film pertama tergagap pada substrat, dan kemudian, W/WO3 film disulfurisasi dalam atmosfer uap belerang. Prosesnya relatif sederhana, tetapi ketebalan film sulit dikontrol [5,6,7]. Liu dkk. MoS yang disintesis2 film dengan dekomposisi termal. Setelah direndam (NH4 )6 MoS4 larutan, substrat dikeluarkan dan dipanaskan pada 500 °C dalam Ar/H2 suasana. Akhirnya WS2 film dengan area yang luas dan ketebalan yang seragam diperoleh; namun, kualitas kristal filmnya buruk [8]. Deposisi uap kimia (CVD) telah menjadi teknik penting dan banyak digunakan untuk menumbuhkan bahan TMDC dua dimensi karena pengoperasiannya yang mudah, kemampuan kontrol yang baik, rute fabrikasi yang relatif matang, dan hasil tinggi dari film beberapa lapis dengan area luas [9,10 ,11,12,13].

Sejak 2011, banyak kelompok penelitian di dunia berhasil mensintesis WS setebal atom2 film dengan metode CVD. Zhang dkk. mensintesis WS segitiga berlapis atom2 film pada substrat safir dengan deposisi uap kimia bertekanan rendah dengan ukuran domain tunggal hingga 50 μm [14]. Cong dkk. meningkatkan metode CVD dengan menempatkan tabung kuarsa berdiameter lebih kecil dengan ujung tunggal yang disegel di dalam tabung kuarsa berdiameter lebih besar dan mengapit jejak WO3 bubuk antara dua wafer. Metode ini secara efektif meningkatkan konsentrasi dan tekanan prekursor dalam tabung, dan ukuran domain tunggal yang diperoleh mencapai 178 m [3]. Menimbang bahwa WO3 prekursor memiliki suhu sublimasi yang tinggi, Li et al. memperkenalkan jumlah yang tepat dari halida logam alkali dalam reaksi deposisi uap kimia sebagai promotor pertumbuhan. Halida logam alkali (MX, M=Na atau K, X=Cl, Br atau I) dapat menurunkan suhu reaksi sekitar 100 °C melalui pembentukan spesies tungsten oksihalida yang mudah menguap, yang memfasilitasi pengiriman prekursor ke substrat pertumbuhan. Namun, penambahan alkali halida dalam tabung reaksi pasti menimbulkan pengotor dan mencemari produk reaksi [15]. Baik kelompok Yanfeng Zhang maupun Kyung Nam Kang melaporkan bahwa menambahkan konsentrasi H2 yang sesuai berkontribusi pada sublimasi dan sulfurisasi yang cepat dari WO3 prekursor, karena dapat direduksi dari H2 lebih kuat dari S [14, 16]. Fu dkk. mempelajari pengaruh laju aliran gas dan suhu reaksi pada morfologi dan ukuran domain WS2 film dalam campuran argon-hidrogen (97%Ar + 3%H2 ) suasana. Mereka mendapat 52 μm WS2 serpihan dengan mengoptimalkan kondisi pertumbuhan CVD [17]. Rong dkk. menggunakan tungku dua zona suhu untuk secara tepat mengontrol waktu pengenalan belerang untuk mencapai WS area luas yang ideal2 pertumbuhan film dengan ukuran domain tunggal hingga 370 μm [18]. Meskipun metode CVD memiliki banyak keuntungan, namun tetap mendesak dan sangat menantang untuk mengoordinasikan hubungan yang rumit dan rumit di antara banyak parameter pertumbuhan. Saat ini, timbul dari suhu sublimasi WO yang tinggi3 prekursor dan potensi bahaya dalam penggunaan Ar dan H2 campuran gas selama pertumbuhan, persiapan WS berkualitas tinggi2 film dengan ukuran domain besar masih menghadapi tantangan besar. Dalam karya ini, kami melakukan studi sistematis dan mendalam tentang aturan pertumbuhan WS2 film yang disintesis dengan teknik CVD. Untuk pertama kalinya, kami menyelidiki secara komprehensif dampak dari parameter pertumbuhan yang berbeda pada morfologi WS2 film, seperti jenis prekursor, tekanan gas, suhu tumbuh, waktu penahanan, jumlah bubuk belerang, laju aliran gas, dan posisi substrat. Dengan mengoptimalkan kondisi pemrosesan, WS area luas2 film dengan domain tunggal besar diperoleh melalui metode deposisi uap kimia tekanan atmosfer (AP-CVD). Film diperiksa oleh Raman, mikroskop kekuatan atom (AFM), mikroskop elektron transmisi (TEM), dan pengukuran photoluminescence (PL) untuk memiliki kualitas kristal yang sangat baik. Studi kami membuka jalan untuk membuat WS monolayer besar2 kristal tunggal dengan sifat luar biasa, yang sangat penting untuk membangun perangkat yang skalabel.

Metode

Untuk mensintesis WS2 film, WO3 (Sigma-Aldrich, 99,9%), WO2.9 (Alfa Aesar, 99,99%) dan serbuk S (Alfa Aesar, 99,0%) digunakan masing-masing sebagai prekursor W dan S. Dalam proses pertumbuhan yang khas, SiO yang dipoles satu sisi2 /Si wafer pertama-tama dibersihkan dalam etanol, isopropanol, dan air deionisasi secara berurutan dengan pembersihan ultrasonik selama 15 menit. Sejumlah kecil bubuk tungsten oksida (0,1 g) ditaburkan secara merata di bagian bawah wadah, dan wafer Si dengan ketebalan 300 nm SiO2 diletakkan terbalik dengan sisi yang dipoles menghadap ke arah bubuk tungsten oksida. Kemudian, wadah ditempatkan di tengah tabung kuarsa (diameter 60 mm) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Perahu kuarsa dengan bubuk belerang di dalamnya ditempatkan di daerah hulu tabung kuarsa dan dihangatkan oleh panas radiasi tungku tabung. Setelah tabung kuarsa dipompa hingga tekanan 100 mTorr, tabung kuarsa dibersihkan menggunakan gas Ar pada 500 sccm selama 30 menit, kemudian gas Ar dikontrol pada laju alir konstan hingga reaksi selesai. Tungku dipanaskan terlebih dahulu dari suhu kamar hingga 150 °C dan dibiarkan pada suhu ini selama 20 menit untuk menghilangkan uap air di dalam tabung. Kemudian suhu terus dinaikkan hingga mencapai nilai yang diinginkan dengan laju pemanasan 10 °C/menit. Setelah mencapai suhu pertumbuhan, tungku mempertahankan suhu untuk jangka waktu tertentu. Pada akhir proses pertumbuhan, tabung kuarsa didinginkan hingga suhu kamar secara alami. Agar lebih jelas, seluruh skema kontrol suhu ditunjukkan pada Gambar. 1b.

a Pengaturan skema tungku CVD. b Kurva pemanasan dan pendinginan WO2.9 dan bubuk S

Morfologi WS yang sudah tumbuh2 serpihan dicirikan oleh mikroskop elektron pemindaian Hitachi S4800 dengan tegangan percepatan 5-10 kV. Pengukuran Raman dilakukan menggunakan mikroskop Nanophoton Raman-11 dengan kemampuan pencitraan berkecepatan sangat tinggi. Puncak Si pada 520 cm −1 digunakan sebagai acuan untuk kalibrasi bilangan gelombang. Spektrum PL keadaan tunak diambil oleh sistem mikro-PL confocal. Laser eksitasi 532 nm difokuskan pada sampel dengan menggunakan objektif aperture numerik besar dengan ukuran titik berdiameter sekitar 1-2 m. Gambar topografi sampel diperoleh dengan menggunakan mikroskop gaya atom (Bruker multimode 8) dalam mode sadap. Emisi medan JEOL JEM-2100F dioperasikan pada 200 kV untuk pencitraan TEM (HRTEM) resolusi tinggi dan difraksi elektron area terpilih (SAED).

Hasil dan Diskusi

Dalam sintesis CVD, pertumbuhan TMDC dua dimensi dipengaruhi oleh banyak faktor, seperti tekanan, suhu, laju aliran gas, dan waktu pertumbuhan. Faktor-faktor ini sangat penting dalam pertumbuhan WS 2D berkualitas tinggi dan area luas2 film. Dalam tulisan ini, pengaruh masing-masing faktor tersebut terhadap morfologi WS2 film pertama-tama dibahas secara rinci, dan kemudian, kondisi pertumbuhan optimal untuk film beberapa lapis area luas ditentukan. Akhirnya, untuk memeriksa struktur film dan kualitas kristal, hasil karakterisasi di bawah kondisi eksperimental yang dioptimalkan disajikan, termasuk Raman, AFM, PL, dan TEM.

WO3 dan WO2.9

Kami menggunakan WO3 dan WO2.9 bubuk sebagai dua prekursor berbeda untuk menyelidiki pengaruhnya terhadap pertumbuhan WS2 film. Gbr. 2a, b menunjukkan gambar SEM dari WS2 film yang ditumbuhkan dengan prekursor WO3 dan WO2.9 , masing-masing. Ketika WO3 digunakan sebagai sumber W, hampir tidak terlihat WS2 film pada substrat, yang selanjutnya dikonfirmasi oleh pengukuran Raman. Namun, ketika WO2.9 digunakan sebagai prekursor, muncul sejumlah besar WS segitiga2 domain pada substrat. Setelah puluhan percobaan berulang, kami menemukan bahwa hasil segitiga WS2 dengan WO2.9 prekursor jauh lebih tinggi daripada dalam kasus WO3 sebagai prekursor. Reproduksibilitas hasil eksperimen ini lebih dari 90%. van der Vlies dkk. telah mempelajari langkah-langkah reaksi dasar dalam sulfidasi WO3 kristal [19]. Mereka menemukan bahwa W 6+ tidak dapat langsung disulfurisasi oleh S kecuali beberapa zat antara terbentuk karena energi ikatan W–O yang tinggi. Pengurangan W 6+ ke W 5+ adalah wajib untuk penggabungan belerang dalam WO3 kisi. Untuk WO2.9 dalam kasus kami, sebagian W 6+ ion telah direduksi menjadi W 5+ atau W 4+ ion. Oleh karena itu, kami pikir penggantian W 5+ atau W 4+ untuk W 6+ pada tahap awal memfasilitasi pertumbuhan WS kristal tunggal2 film.

a , b Gambar SEM dari WS2 film yang disiapkan menggunakan WO3 dan WO2.9 sebagai sumber W, masing-masing. c , d Gambar SEM dari WS2 sampel disiapkan pada tekanan rendah dan satu tekanan atmosfer, masing-masing

Tekanan Tabung

Untuk studi ini, kami mengadopsi dua nilai tekanan selama pertumbuhan WS2 film dalam eksperimen:tekanan rendah (< 100 mTorr) dan satu tekanan atmosfer (1 atm). Gambar 2c menunjukkan gambar SEM dari sampel yang disiapkan di bawah lingkungan bertekanan rendah. Seperti yang kami temukan, hanya serpihan seperti daun yang didistribusikan secara acak di atas substrat, yang bukan WS2 tapi WO3 , seperti yang dikonfirmasi lebih lanjut oleh karakterisasi Raman. Gambar 2d menunjukkan gambar SEM dari sampel yang tumbuh di bawah satu tekanan atmosfer. Berbeda dengan Gambar. 2c, ada banyak domain segitiga dengan ukuran di atas 100 μm yang muncul di substrat, yaitu WS2 dibuktikan dengan spektroskopi Raman. Eksperimen kontras semacam itu telah diulang berkali-kali, dan setiap kali, kami mendapatkan hasil yang hampir sama. Dibandingkan dengan mode tekanan rendah, mode tekanan atmosfer lebih membantu untuk mendapatkan hasil WS yang tinggi2 serpihan dengan ukuran besar dan tepi yang jelas. Seperti yang kita ketahui, proses CVD umumnya mencakup dua tahap:(1) transportasi gas dan reaksi fase gas dan (2) adsorpsi permukaan dan reaksi permukaan. Dalam kedua tahap ini, proses tumbukan merupakan faktor yang sangat penting dan kuat. Pada satu tekanan atmosfer, jalur bebas rata-rata molekul gas menjadi lebih pendek dan frekuensi tumbukan menjadi lebih tinggi (lihat File tambahan 1). Frekuensi tumbukan yang lebih tinggi dikombinasikan dengan suhu tinggi dan laju aliran tinggi biasanya menyebabkan laju reaksi yang lebih tinggi dan laju nukleasi yang lebih tinggi dengan mempromosikan reaksi kimia antara prekursor atau antara kluster prekursor dan substrat. Di sisi lain, dari teori termodinamika, perubahan energi bebas kimia G (< 0) adalah kekuatan pendorong untuk nukleasi. Perubahan energi bebas kritis G * dapat dianggap sebagai penghalang energi nukleasi, yang berkorelasi terbalik dengan tekanan gas [20]. Oleh karena itu, tekanan yang lebih tinggi di APCVD selalu mengarah ke penghalang energi nukleasi yang lebih kecil, laju nukleasi yang lebih tinggi, dan kerapatan nukleasi yang lebih besar dibandingkan dengan kasus tekanan rendah CVD (LPCVD). Jadi, mode tekanan atmosfer dalam eksperimen kami lebih disukai dalam menumbuhkan film TMDC 2D.

Suhu Pertumbuhan

Berdasarkan hasil di atas, kami memilih WO2.9 sebagai sumber W dan menyesuaikan tekanan tabung sebagai satu tekanan atmosfer. Berikut ini, kami menyelidiki pengaruh suhu pertumbuhan pada kualitas kristal WS2 film. Kami melakukan serangkaian percobaan dengan memvariasikan suhu tungku masing-masing pada 750, 800, 850, 880, 900, dan 950 °C. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, dengan meningkatnya suhu, ukuran domain rata-rata WS2 film pertama meningkat dan kemudian menurun. Suhu rendah menginduksi laju difusi yang rendah dari prekursor, sehingga prekursor dapat dengan mudah terperangkap di lokasi pra-pertumbuhan pada substrat. Pada tahap nukleasi prekursor yang sangat awal, sebagian besar situs nukleasi membentuk pusat perangkap dan prekursor berikutnya berinti di situs perangkap tersebut (Gbr. 3b). Akibatnya, banyak WS seperti tempat2 domain diperoleh. Dengan meningkatnya suhu, pembentukan fase baru menjadi lebih sulit karena radius inti kritis yang meningkat dan peningkatan penghalang energi bebas nukleasi, yang menahan nukleasi dan pengendapan WS2 pada substrat, menghasilkan penurunan densitas nukleasi. Pada saat yang sama, energi kinetik termal molekul meningkat secara signifikan, yang memfasilitasi difusi permukaan WO3 − x dan reaksi WO3 − x dengan S. Dengan demikian, ini sejalan dengan kristalisasi WS yang lebih baik2 kisi dan peningkatan ukuran serpihan (Gbr. 3c–e). Namun, ketika suhu pertumbuhan dinaikkan lebih lanjut ke 950 °C, serpihan keseluruhan tidak tumbuh lebih besar tetapi sedikit lebih kecil, dan beberapa serpihan menunjukkan beberapa retakan selama pertumbuhan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3f. Kami menduga retakan mungkin terjadi di lokasi batas butir atau cacat, di mana ikatan kimianya relatif rapuh dan mudah putus oleh suhu tinggi.

Gambar SEM dari WS2 sampel disiapkan pada 750 °C (a ), 800 °C (b ), 850 °C (c ), 880 °C (h ), 900 °C (e ), dan 950 °C (f ), masing-masing

Waktu Penundaan

Di bagian ini, waktu penahanan dalam eksperimen kami dikontrol masing-masing pada 5, 10, 20, dan 30 menit. Suhu pertumbuhan ditetapkan pada 900 °C, dan jumlah serbuk S ditetapkan pada 0,7 g. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, dengan bertambahnya waktu penahanan, ukuran domain film diperluas terus menerus, dari sekitar 30 m pada 5 menit menjadi sekitar 120 m pada 10 menit. Namun, ukuran lateral tidak terus membesar lebih jauh untuk waktu penahanan 20 menit atau bahkan 30 menit. Kami berspekulasi bahwa itu mungkin terkait dengan banyak faktor, misalnya, kekasaran permukaan substrat, kerapatan nukleasi, dan laju difusi molekul gas. Dari teori termodinamika, perubahan energi bebas selama pertumbuhan juga dapat menentukan atau bahkan membatasi ukuran lateralnya. Selain itu, film segitiga lengkap yang ada pasti akan sering mengalami benturan dari molekul gas di sekitarnya, yang dapat mencemari atau bahkan menghancurkan film asli, menyebabkan cacat pada film. Cacat ini dapat terus menyebar pada suhu tinggi dan akhirnya merusak film utuh asli, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d.

Gambar SEM dari WS2 film yang disiapkan dalam 5 mnt (a ), 10 mnt (b ), 20 mnt (c ), dan 30 mnt (h ), masing-masing

Jumlah Serbuk Sulfur

Jumlah bubuk belerang yang digunakan dalam pertumbuhan juga merupakan faktor yang sangat penting. Meskipun dinamika pertumbuhan material dua dimensi tidak sepenuhnya dipahami, namun secara umum diterima bahwa dua mode pertumbuhan yang mungkin mendominasi dalam pertumbuhan material TMDC 2D:(1) MO3 − x spesies menyerap dan berdifusi pada permukaan substrat serta bereaksi dengan atom uap belerang untuk membentuk MS2; (2) MO3 − x gugus bereaksi langsung dengan atom S dalam fase gas, dan menghasilkan MO x S y cluster menyerap, nukleasi, dan tumbuh pada substrat. Jelas, kedua mode ini harus bersaing langsung tergantung pada konsentrasi belerang di lingkungan. Dalam percobaan kami, kami memuat jumlah bubuk belerang masing-masing sebagai 0,3, 0,5, 0,7, dan 0,9 g, untuk mempelajari pengaruh konsentrasi uap S terhadap pertumbuhan WS2 film. Ketika bubuk belerang hanya 0,3 g, tekanan parsial uap belerang dalam tabung kuarsa relatif rendah, yang dengan mudah menghasilkan film belerang yang tidak lengkap. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, selain beberapa WS segitiga2 serpihan dengan ukuran sekitar 30 μm, terdapat banyak bintik kecil berbentuk tidak beraturan (ukuran tepi < 5 μm). Bintik-bintik kecil ini diperiksa dengan spektroskopi Raman dan terbukti bukan WS2 . Dengan penambahan bubuk belerang dari 0,5 hingga 0,7 g, sejumlah besar WS berbentuk segitiga2 domain muncul di substrat, dan ukuran rata-ratanya meningkat dari ~ 50 m menjadi lebih dari 100 μm (Gbr. 5b, c). Ketika bubuk belerang ditambahkan lebih lanjut hingga 0,9 g, domain yang lebih besar dengan panjang tepi ~ 300 μm dan banyak partikel kecil muncul pada substrat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5d. Dianalisis dengan pengukuran spektroskopi dispersi energi (EDS) (lihat File tambahan 1), sebagian besar partikel kecil ini adalah WO x S y butir, bertindak sebagai inti benih dan terus-menerus bereaksi dengan atom S untuk membentuk WS2 serpihan [21]. Serpihan yang berdekatan dengan orientasi kristal yang sama tumbuh seiring waktu dan akhirnya bergabung menjadi domain yang lebih besar. Sangat mudah untuk melihat pada Gambar 5d bahwa domain segitiga besar jelas terdiri dari banyak domain segitiga yang lebih kecil. Di bawah tekanan parsial sulfur tinggi, jumlah inti kristal meningkat secara signifikan. Inti yang berdekatan tumbuh secara kompetitif, dan pada saat yang sama, orientasi kristalnya menjadi tidak teratur, menghasilkan tepi yang kasar. Feldman dkk. mengklaim bahwa tekanan parsial S yang tinggi dapat menyebabkan WO3 − x nanopartikel dibungkus oleh lapisan WS2 struktur fullerene anorganik [22, 23], yang akan menekan reaksi lebih lanjut antara WO3 − x inti dan atom belerang terluar. Jadi, kita bisa melihat beberapa partikel yang tersisa di permukaan film. Perlu dicatat bahwa dengan penambahan serbuk belerang, tepi serpihan berbentuk segitiga menjadi lebih cekung, yang mungkin disebabkan oleh tingkat pertumbuhan yang sangat berbeda dari tepi S zigzag (S-zz) dan W zigzag (W -zz) tepi [24]. Singkatnya, hasil eksperimen yang disajikan di sini mengungkapkan bahwa memuat bubuk belerang dalam jumlah yang tepat memainkan peran penting dalam pertumbuhan WS dua dimensi berkualitas tinggi2 film.

Gambar SEM dari WS2 film yang tumbuh di bawah jumlah belerang yang berbeda:0,3 g (a ), 0,5 g (b ), 0,7 g (c ), dan 0,9 g (h ), masing-masing

Laju Aliran Gas

Pada bagian ini, kami menetapkan laju aliran gas masing-masing sebagai 50, 100, 120, 140, 160, dan 180 sccm, untuk mengeksplorasi pengaruh laju aliran gas pada pertumbuhan film. Kondisi pertumbuhan lainnya diatur sebagai parameter optimal yang disebutkan di atas. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, ketika laju aliran Ar meningkat dari 50 menjadi 180 sccm, WS2 domain mengalami transformasi morfologi serta perubahan ukuran. Untuk laju aliran gas 50 sccm, WS2 film didominasi oleh ~ 40 m domain segitiga terpotong. Saat laju aliran meningkat dari 50 menjadi 120 sccm, sisi yang terpotong menjadi lebih pendek dan lebih pendek, dan akhirnya, serpihan berubah menjadi bentuk segitiga dengan tepi yang tajam dan halus. Pada saat yang sama, ukuran domain rata-rata jelas diperbesar menjadi ~ 60 μm. Kemudian, domain berhenti untuk mengubah bentuknya dan terus tumbuh hingga ~ 100 μm pada laju aliran 160 sccm. Saat laju aliran gas mencapai 180 sccm, tidak ada peningkatan ukuran lebih lanjut yang teramati. Seperti yang kita ketahui, WS2 massal memiliki struktur kristal prismatik trigonal (fase 2H), di mana setiap atom W dikoordinasikan secara prismatik ke enam atom S di sekitarnya, membentuk fase yang stabil secara termodinamika. Kami berasumsi bahwa semua bentuk domain mulai tumbuh dari inti heksagonal dengan tiga sisi terminasi W zigzag (W-zz) dan tiga sisi lainnya dari terminasi S zigzag (S-zz). Ketika laju aliran gas meningkat, lebih banyak atom uap S dibawa ke pusat tabung kuarsa dan menginduksi rasio konsentrasi atom Mo terhadap S yang lebih kecil. Warner dkk. menyelidiki pengaruh rasio atom Mo/S terhadap morfologi MoS2 film berdasarkan prinsip pertumbuhan kristal [24]. Menurut penelitian mereka, ketika rasio atom W:S secara bertahap berubah menjadi kurang dari 1:2, tiga terminasi W-zz tumbuh lebih cepat daripada tiga terminasi S-zz lainnya, yang akan menghasilkan transformasi bentuk domain dari segi enam menjadi segitiga terpotong dan akhirnya menjadi segitiga sama sisi. Juga, laju aliran yang tinggi mendorong proses perpindahan massa, yang berkontribusi pada peningkatan laju pertumbuhan kristal. Karena laju aliran gas dinaikkan lebih lanjut dari 160 menjadi 180 sccm, ketidakstabilan dapat terjadi karena atom tidak memiliki cukup waktu untuk pindah ke lokasi kisi yang tepat, dan kemungkinan pembentukan cacat dan pertumbuhan anisotropi meningkat karena gangguan termal lokal dan ketidakseimbangan lokal dari konsentrasi dan tekanan prekursor. Oleh karena itu, pada laju aliran gas tinggi, tepi halus WS2 film mudah menjadi kasar seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6f.

Gambar SEM dari WS2 film disiapkan pada laju aliran gas Ar yang berbeda:50 sccm (a ), 100 scm (b ), 120 sccm (c ), 140 sccm (d ), 160 sccm (e ), dan 180 sccm (f ), masing-masing

Posisi Substrat

Terakhir, posisi substrat juga merupakan parameter kunci untuk WS2 pertumbuhan. Di sini, kami membuat perbandingan antara dua posisi substrat. Substrat A ditempatkan di atas perahu alumina dan menghadap ke bawah bubuk oksida tungsten, dan substrat B diposisikan di hilir seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a. Pada posisi pusat tabung, suhu yang lebih tinggi menentukan konsentrasi jenuh yang lebih tinggi dari prekursor, yang selalu menyebabkan kepadatan inti kristalisasi yang lebih kecil. Pada saat yang sama, karena pasokan prekursor yang cukup dan laju difusi atom yang tinggi, lebih mudah untuk menumbuhkan WS area luas2 domain tunggal (~ 200 μm) pada substrat A. Sebaliknya, untuk substrat B yang ditempatkan di hilir, suhu yang lebih rendah mengakibatkan kejenuhan yang lebih rendah dari prekursor, yang dengan mudah menghasilkan lebih banyak inti yang muncul pada substrat. Sementara itu, karena konsentrasi prekursor yang rendah dan energi kinetik molekuler yang rendah, domain tunggal pada substrat B (~ 10 μm) tumbuh jauh lebih kecil daripada domain pada substrat A, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7b, c.

a Pengaturan eksperimental skema dengan posisi substrat A dan B. b , c Gambar SEM dari WS yang disintesis2 film pada substrat A dan B, masing-masing

Optimasi dan Karakterisasi

Dalam pekerjaan sebelumnya, serangkaian percobaan telah dilakukan untuk menyelidiki dampak parameter pertumbuhan pada evolusi morfologi WS2 film, termasuk suhu tumbuh, waktu penahanan, laju aliran gas, dan jumlah belerang. Hasil kami memungkinkan kami untuk mewujudkan WS monolayer yang dapat dikontrol2 pertumbuhan dan juga memberikan beberapa pedoman umum untuk pertumbuhan materi 2D lainnya. Berdasarkan hasil eksperimen di atas, kami memperoleh kondisi eksperimen yang optimal untuk pertumbuhan WS area luas berkualitas tinggi2 film:0,1 g WO2,9 dan 0,7 g bubuk S diambil masing-masing sebagai prekursor W dan S; substrat terletak tepat di atas perahu alumina menghadap ke bawah WO2.9 bubuk; suhu pertumbuhan dikontrol pada 900 °C dan disimpan selama 10 menit; laju aliran gas Ar ditetapkan sebagai 160 sccm dengan tekanan tabung dipertahankan pada satu tekanan atmosfer. Gambar 8a menunjukkan gambar SEM dari WS2 biasa domain tunggal disintesis di bawah kondisi yang dioptimalkan. Domain memiliki bentuk segitiga yang lengkap dan teratur dengan panjang tepi tajam dan halus ~ 400 μm, yang jauh lebih besar daripada ukuran tepi WS2 domain disiapkan oleh pengelupasan mikromekanis.

a Gambar SEM dari WS yang disintesis2 film. b , c Pemetaan Raman dan spektrum Raman yang sesuai dari WS2 serpih. d Skema dua mode getaran Raman yang khas E 1 2g dan A1g . e Gambar AFM dan profil tinggi untuk WS2 domain tunggal. f Spektrum PL dari monolayer dan WS multilayer2 mengelupas. g Gambar fluoresen WS monolayer2 serpih. h Gambar TEM dari WS2 serpihan pada grid tembaga. saya , j Gambar TEM resolusi tinggi dan pola SAED yang sesuai dari WS monolayer yang ditangguhkan secara bebas2 pada kisi TEM

Spektroskopi Raman telah banyak digunakan untuk mempelajari bahan 2D, dari mana informasi getaran molekul dan rotasi dalam bahan dapat diekstraksi. Jadi, ia menawarkan spektrum sidik jari yang akan digunakan untuk mengidentifikasi struktur material. Gambar 8b menunjukkan pemetaan Raman khas dari WS2 film yang dibuat dengan plot A1g intensitas mode, yang dengan jelas menunjukkan bentuk segitiga yang sempurna. Gambar 8c menunjukkan spektrum Raman dari tiga area berbeda yang ditandai dengan kotak berwarna pada Gambar. 8b pada rentang frekuensi 100–900 cm −1 . The measurement was performed at room temperature with 532 nm laser excitation. In addition to the Raman peak at 520 cm −1 from substrate Si, the two distinct peaks at ~ 352.5 and ~ 419 cm −1 denote typical WS2 optical phonon vibration modes E 1 2g and A1g . These two modes correspond to the in-plane and out-of-plane vibrations of WS2 lattice, respectively, which are shown in Fig. 8d. With decreasing film thickness, the A1g peak is redshifted, and concurrently, the E 1 2g mode is blueshifted due to the weakened interlayer interaction, leading to a decrease in the frequency separation between the two modes. Therefore, the frequency separation is often used to identify the thickness of the two-dimensional material. For the left WS2 single domain labeled with blue box (Fig. 8b), the Raman frequency difference of the E 1 2g and A1g mode is around 71 cm −1 , where the two peaks’ intensity ratio (A1g /E 1 2g ) is about 0.5, as shown in Fig. 8c. The high intensity of the A1g peak confirms the two- to three-layered structure of the crystal. For the right WS2 flake labeled with green box, the Raman frequency interval reduces to 67 cm −1 , and the intensity ratio of the two peaks is about 0.21. At the same time, the significant reduction in the intensity of A1g peak than that of the E 1 2g peak confirms a monolayer WS2 [25].

Atomic force microscopy (AFM) is an effective tool to measure the surface topography of materials by “touching” the sample surface with a mechanical probe. The information of the WS2 film thickness can be obtained directly by AFM measurement. A height image of a WS2 single domain and the line profile across the flake clearly show a height of 0.82 nm (Fig. 8e), which is in the height range of a single-layer WS2 film and consistent with the results reported in the literatures [10, 14].

To study the details of light emission from the CVD WS2 flakes, micro-photoluminescence (m-PL) spectroscopy measurement and PL intensity mapping were performed (with 532 nm laser excitation). As shown in Fig. 8f, the PL intensity of monolayer WS2 is much stronger than that of multilayer. It is well known that the electronic band structure transitions from indirect to direct bandgap as WS2 is thinned down from multilayer to monolayer. Strong emission is observed only for the monolayer. Furthermore, the strong PL peak located at 627 nm is in agreement with the reported direct bandgap of ~ 2 eV [26, 27]. The full width at half maximum (FWHM) value of ~ 47 meV is close to those from mechanically exfoliated monolayers in previous reports [28, 29]. Figure 8g shows the PL intensity image of the triangular WS2 monolayer, which exhibits non-uniform emission intensity across the flakes. The edges emit the brightest light, and the strength of the emission gradually decays when moving towards the body center and eventually becomes invisible. Similar results have been reported in other papers [3, 26]. Cong et al. explained the suppressing of PL at the center might be due to the existence of structural and charge defects. For instance, S vacancies are inevitably induced in CVD growth of WS2 films. The related lattice defects and dislocations could become the non-irradiative recombination centers for excitons, which could result in heavily reduced PL emission intensity.

Finally, we utilized TEM and SAED to evaluate the crystallinity of WS2 flakes. Figure 8h gives a typical low-magnification TEM image of a triangular WS2 flake on a holy carbon-coated copper grid. The flake was broken during transfer process, but we still can clearly see that the surface of the film is clean, free from other contaminants. The HRTEM image (Fig. 8i) reveals the hexagonal ring lattice consisting of alternating tungsten atoms and sulfur atoms. The corresponding SAED pattern further confirmed its hexagonal symmetry. The first-order diffraction spots, corresponding to (100) planes, were used to calculate the interspacing d of (100) planes. We found that d (100) equals to 0.271 nm, which is in agreement with the results deduced from HRTEM measurement. Also, the interspacing d (110) is deduced to be 0.155 nm according to the (110) diffraction spots in SAED pattern. Both interplanar distances coincide well with those of bulk WS2 [14].

Conclusions

We systematically investigated the influence of various synthesis parameters on the morphology evolution of WS2 film grown by chemical vapor deposition, such as precursors, pressure, growth temperature, holding time, amount of sulfur powder, gas flow rate, and source-substrate distance. Based on the optimized experimental conditions, large-area WS2 thin films with single domain size up to ~ 400 μm have been successfully prepared on Si/SiO2 wafer. The crystal structure, layer number, and luminescence of the WS2 films have been examined by Raman spectra, transmission electron microscopy, atomic force microscopy, and photoluminescence. We believe our results will lead to further progress in improving the crystalline quality and large-area growth of the exciting 2D transitional metal dichalcogenides (TMDCs). At the same time, this work will push forward the applications of TMDC film in the fields of micro-(nano-) optoelectronics, photovoltaic industry, photocatalysis, and energy storage.

Singkatan

2D:

Dua dimensi

AFM:

Mikroskop kekuatan atom

APCVD:

Atmospheric pressure chemical vapor deposition

EDS:

Energy-dispersive spectroscopy

FWHM:

Lebar penuh pada setengah maksimum

LPCVD:

Low pressure chemical vapor deposition

PL:

Photoluminescence

SAED:

Selected-area electron diffraction

SEM:

Pemindaian mikroskop elektron

TEM:

Mikroskop elektron transmisi

TMDCs:

Transition metal dichalcogenides


bahan nano

  1. Apa itu Deposisi Uap Kimia?
  2. 1 Masalah Besar Dengan IPv6 &LPWAN
  3. Mesin Kecil dengan Portofolio Teknologi Besar
  4. Teknologi Deposisi Lapisan Atom Tingkat Lanjut untuk Micro-LED dan VCSEL
  5. Electrospun Polymer Nanofibers Dihiasi dengan Nanopartikel Logam Mulia untuk Penginderaan Kimia
  6. Pertumbuhan Kawat Nano GaSb Vertikal yang Dikatalis Sendiri pada Batang InAs oleh Deposisi Uap Kimia Logam-Organik
  7. Menuju Rantai Atom Tunggal dengan Telurium Terkelupas
  8. Amorphous Silicon Nanowires Tumbuh pada Film Silicon Oxide oleh Annealing
  9. Lapisan Konversi Film Kimia untuk Lembaran Logam
  10. 5 Menit Dengan PwC pada AI dan Big Data dalam Manufaktur