[論文レビュー] In-Situ Monitoring of Thermal Annealing Induced Evolution in Film Morphology and Film-Substrate Bonding in a Monolayer MoS2 Film

L. C. Su, Yifei Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2016

2D Materials and Applications被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、SiO2/Si基板上にCVD法で成長したモノレイヤーMoS2膜の熱アニール効果を、イン・サイト微小ラーマンおよび光励起分光法を用いてモニタリングした。305 °Cで2サイクルの熱処理後、膜-基板結合が著しく変化し、事前に存在するリップル誘発歪みを上回り、歪み、ドーピング、光学的性質の空間的変動の主因となった。これは熱的応力下での不安定性を示している。

ABSTRACT

We perform in-situ two-cycle thermal cycling and annealing studies for a transferred CVD-grown monolayer MoS2 on a SiO2/Si substrate, using spatially resolved micro-Raman and PL spectroscopy. After the thermal cycling and being annealed at 305 deg C twice, the film morphology and film-substrate bonding are significantly modified, which together with the removal of polymer residues cause major changes in the strain and doping distribution over the film, and thus the optical properties. Before annealing, the strain associated with ripples in the transferred film dominates the spatial distributions of the PL peak position and intensity over the film; after annealing, the variation in film-substrate bonding, affecting both strain and doping, becomes the leading factor. This work reveals that the film-substrate bonding, and thus the strain and doping, is unstable under thermal stress, which is important for understanding the substrate effects on the optical and transport properties of the 2D material and their impact on device applications.

研究の動機と目的

• 熱サイクル下におけるモノレイヤーMoS2の膜形態および膜-基板結合の動的変化を調査すること。
• 熱的応力が2次元材料における歪みおよびドーピング分布に与える影響を理解すること。
• アニール後の光学的性質の空間的変動を支配する要因を特定すること。
• 2次元半導体における基板相互作用の熱処理条件下での安定性を評価すること。
• デバイス応用を想定したモノレイヤーMoS2の電子的および光学的挙動における基板効果に関する知見を提供すること。

提案手法

• SiO2/Si基板上に転写されたモノレイヤーMoS2膜に、305 °Cでのイン・サイト2サイクルの熱アニールを施した。
• 膜全体における歪みおよびドーピングの空間的変動をマッピングするために、空間分解能を有する微小ラーマン分光法を用いた。
• 電子的および構造的変化の指標として、PLピーク位置および強度の変化をモニタリングするために光励起分光法（PL）を採用した。
• アニール前後における膜形態および界面結合の変化を追跡した。
• アニール前後における光学的および構造的データの比較分析により、性質の変動を支配する要因を特定した。
• 本研究では、内在的リップルと外的膜-基板相互作用の寄与を区別することに焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 305 °Cでの熱アニールは、転写されたモノレイヤーMoS2膜の形態および界面結合にどのように影響するか？
• RQ2 空間的変動における歪みおよびドーピングに及ぼす、内在的リップルと膜-基板相互作用の相対的寄与は何か？
• RQ3 膜-基板結合の変化が、熱サイクル後のモノレイヤーMoS2の光学的性質にどのように影響するか？
• RQ4 ポリマー残渣は、観察された歪みおよびドーピング分布の変化にどの程度寄与しているか？
• RQ5 アニール後のPL特性の空間非均一性を支配する主因は何か？

主な発見

• 305 °Cで2サイクルの熱処理後、膜-基板結合が著しく変化し、歪みおよびドーピングの空間的変動の主因となった。
• アニール前は、リップル誘発歪みがPLピーク位置および強度の空間的変動の主な要因であった。
• アニール後は、膜-基板結合の変化がリップル関連歪みを上回り、光学的性質の非均一性の主な原因となった。
• アニール中にポリマー残渣が除去されたことが、歪みおよびドーピングの再分布に寄与した。
• 本研究では、膜-基板結合が熱的応力下で不安定であることが示され、モノレイヤーMoS2の電子的および光学的挙動に直接的な影響を与えることが明らかになった。
• これらの発見は、2次元材料ベースのデバイスの性能および信頼性を決定づけるインターフェース相互作用の重要性を強調している。