[論文レビュー] Large Area Vapor Phase Growth and Characterization of MoS2 Atomic Layers on SiO2 Substrate

Yongjie Zhan, Zheng Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2011

2D Materials and Applications参考文献 29被引用数 67

ひとこと要約

本論文では、SiO2基板上に大面積の単層から数層のモリブデンディチリド（MoS2）原子層を直接成長させるスケーラブルな化学蒸着法（CVD）を提案する。この技術により、直接デバイス形成が可能または容易に任意の基板に転写可能であり、高分解能透過型電子顕微鏡法およびラマン分光法により、均一で数層のMoS2膜が確認され、2次元ナノエレクトロニクスに適した直接遷移ギャップ特性を示している。

ABSTRACT

Monolayer Molybdenum disulfide (MoS2), a two-dimensional crystal with a direct bandgap, is a promising candidate for 2D nanoelectronic devices complementing graphene. There have been recent attempts to produce MoS2 layers via chemical and mechanical exfoliation of bulk material. Here we demonstrate the large area growth of MoS2 atomic layers on SiO2 substrates by a scalable chemical vapor deposition (CVD) method. The as-prepared samples can either be readily utilized for further device fabrication or be easily released from SiO2 and transferred to arbitrary substrates. High resolution transmission electron microscopy and Raman spectroscopy on the as grown films of MoS2 indicate that the number of layers range from single layer to a few layers. Our results on the direct growth of MoS2 layers on dielectric leading to facile device fabrication possibilities show the expanding set of useful 2D atomic layers, on the heels of graphene, which can be controllably synthesized and manipulated for many applications.

研究の動機と目的

• 誘電体基板上に大面積のMoS2原子層をスケーラブルに成長させる方法を開発すること。
• 複雑な転写工程を経ずにMoS2をデバイス構造に直接統合できるようにすること。
• 電子応用向けに厚さが制御された均一な数層MoS2膜を実現すること。
• 実用的なナノエレクトロニクスデバイスの作製に向け、SiO2上にMoS2を直接成長させることの可能性を示すこと。
• 高度な顕微鏡法および分光法を用いて、成長したMoS2層の構造的および電子的性質を同定すること。

提案手法

• 高温条件下でSiO2基板上にMoS2層をCVD法で成長させた。
• 反応炉内でアーガンガスの制御された流量下でモリブデン酸化物と硫黄粉末を前駆体として用いた。
• 温度、圧力、前駆体比率などの成長パラメータを最適化し、均一な層形成を実現した。
• 高分解像透過型電子顕微鏡法（HRTEM）を用いて層数および結晶構造を分析した。
• ラマン分光法を用いて層厚さの確認および単層および数層MoS2の存在を同定した。
• 成長後処理により、直接デバイス形成または代替基板への容易な転写が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケーラブルなCVD法を用いて、SiO2基板上に大面積かつ均一なMoS2原子層を直接成長させることは可能か？
• RQ2 CVD法で成長したMoS2膜の厚さ分布および結晶性はいかほどか？
• RQ3 MoS2層は直接デバイスの作製に使用可能か、または容易に他の基板に転写可能か？
• RQ4 成長したMoS2の構造的および振動的性質は、理論的および剥離法で得られたものと比較してどのように異なるか？
• RQ5 MoS2膜の品質および均一性に影響を与える主要な成長パラメータは何か？

主な発見

• CVD法を用いて、SiO2基板上に均一な被覆を有する大面積MoS2膜を効果的に成長させた。
• HRTEM分析により、明確な結晶格子を有する単層から数層のMoS2構造が確認された。
• ラマン分光法により、単層および数層MoS2に一致する明確なピーク位置および強度比が観測された。
• MoS2層は直接遷移ギャップを示し、光エレクトロニクスおよびナノエレクトロニクス応用に適していることが確認された。
• 膜は劣化を伴わず、直接デバイスの作製や任意の基板への容易な転写が可能であった。
• CVDプロセスにより、厚さと均一性が制御された高品質な2次元MoS2のスケーラブルな合成が可能となった。