直接硫化による大面積MoS2薄膜成長

Mar 18, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8378 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、単層 MoS2 (二硫化モリブデン) 膜の成長を紹介します。 電子ビーム蒸着によりサファイア基板上に Mo (モリブデン) 膜を形成し、直接硫化により三角形の MoS2 膜を成長させました。 まず、MoS2 の成長を光学顕微鏡で観察しました。 MoS2 層の数は、ラマン スペクトル、原子間力顕微鏡 (AFM)、およびフォトルミネッセンス分光法 (PL) 測定によって分析されました。 サファイア基板領域が異なれば、MoS2 の成長条件も異なります。 MoS2 の成長は、前駆体の量と位置を制御し、適切な成長温度と時間を調整し、適切な換気を確立することによって最適化されます。 実験結果は、適切な環境下での直接硫化により、サファイア基板上に大面積単層 MoS2 の成長に成功したことを示しています。 ＡＦＭ測定により求めたＭｏＳ２膜の厚さは約０．７３ｎｍである。 386 cm-1 と 405 cm-1 のラマン測定シフト間のピーク差は 19.1 cm-1 で、PL 測定のピークは約 677 nm であり、これはエネルギーに換算すると 1.83 eV であり、直接エネルギーギャップの大きさです。 MoS2薄膜のこと。 結果は、成長した層の数の分布を検証します。 光学顕微鏡 (OM) 画像の観察に基づいて、MoS2 は離散的に分布した三角形の単結晶粒子の単層から単層の大面積 MoS2 膜へと連続的に成長します。 この研究は、大面積で MoS2 を成長させるための参考資料を提供します。 この構造は、各種ヘテロ接合、センサー、太陽電池、薄膜トランジスタへの応用が期待されます。

原子的に厚い層を持つ二次元層状材料 MoS2 は、最も一般的な遷移金属ジカルコゲニド (TMD) の 1 つです 1、2、3、4。 バルク MoS2 半導体では 1.2 eV の間接エネルギー ギャップがあり、単層 MoS25,6,7,8,9 では 1.8 eV の直接エネルギー ギャップがあります。 単層 TMD は、その直接エネルギーギャップにより、電界効果トランジスタにおいて優れた電流スイッチ比 (オン/オフ電流比) を示します 10,11。 これらの利点は、原子の厚さを持つ材料のみが持つことができます12。 MoS2は層状構造をしており、潤滑性、耐圧性、耐摩耗性に優れています。 主に固体潤滑剤のほか、高速、重負荷、高温、化学腐食条件で使用されます13、14、15、16、17。 この材料には、その優れた光電子特性により、電界効果トランジスタ、電子デバイス、発光ダイオード、センサーなど、多くの潜在的な用途があります11、18、19、20、21、22、23、24、25 。 近年、MoS2 は半導体特性を持ち、単層または数層の形で存在できることが判明しました 26。 したがって、二次元材料は科学者によって広く議論され、研究されています。 機械的剥離 12,27,28,29,30、熱分解チオモリブデン酸アンモニウム 31,32,33,34、Mo/MoO335 の硫化、化学蒸着 (CVD)36,37,38,39,40,41 などの多くの方法、42 を使用して、連続 MoS2 膜を合成できます。 これらの方法では、多くの高品質の MoS2 層を生成できますが、大面積の MoS2 薄膜を実現するのは困難です。 その理由は、MoS2 はナノ粒子やナノチューブ構造に変化する傾向があり、均一な合成や大面積の MoS2 薄膜の生産が非効率になり、電子デバイス向けの生産を展開することが困難になるためです。 したがって、大面積 MoS2 薄膜の合成は多くの研究の注目を集めています。

本研究の成長方法は、同じく 2012 年に Lin らによって提案されたモリブデン/酸化モリブデンを用いた直接硫化法です35。主なプロセスは、酸化モリブデンでコーティングされた基板上で直接硫化反応を実行し、MoS2 薄膜を得るというものです。 約 3.6 nm の三酸化モリブデン (MoO3) をサファイア基板上にメッキし、2 段階の加熱を経て成長させます。 最初の段階では、加熱時間は 1 時間です。 サンプルを 500 °C の炉管に入れ、1 Torr の制御圧力下で Ar/H2 混合ガス (Ar:H2 = 4:1) を通過させ、MoO3 を MoS2 に変換します。 反応式は次のとおりです。