[論文レビュー] Lateral heterojunctions within monolayer semiconductors

Chun-Ming Huang, Sanfeng Wu+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2014

2D Materials and Applications参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、物理的蒸発輸送を用いた横方向ヘテロエpitaxyにより、モノレイヤーMoSe2とWSe2間の滑らかで高品質な横方向ヘテロジャンクションの成長を示している。得られた平面内ジャンクションは、原子スケールの混合を伴う歪みのないヘキサゴナル格子構造を示し、光励起発光が強化されており、原子層が薄いトランジスタやダイオードに向けた2次元材料におけるバンド工学の実現を可能にする。

ABSTRACT

Heterojunctions between three-dimensional (3D) semiconductors with different bandgaps are the basis of modern light-emitting diodes, diode lasers, and high-speed transistors. Creating analogous heterojunctions between different two-dimensional (2D) semiconductors would enable band engineering within the 2D plane and open up new realms in materials science, device physics and engineering. Here we demonstrate that seamless high-quality in-plane heterojunctions can be grown between the 2D monolayer semiconductors MoSe2 and WSe2. The junctions, grown by lateral hetero-epitaxy using physical vapor transport, are visible in an optical microscope and show enhanced photoluminescence. Atomically resolved transmission electron microscopy reveals that their structure is an undistorted honeycomb lattice in which substitution of one transition metal by another occurs across the interface. The growth of such lateral junctions will allow new device functionalities, such as in-plane transistors and diodes, to be integrated within a single atomically thin layer.

研究の動機と目的

• 異なるモノレイヤー半導体間の滑らかな横方向ヘテロジャンクションを形成するための手法を開発すること。
• 新しい電子的およびオプトエレクトロニクスデバイスのため、1つの2次元平面内でのバンド工学を可能にすること。
• MoSe2とWSe2という2つの異なる2次元半導体間の界面における原子スケールの制御を達成すること。
• 将来の2次元デバイス統合に向け、高い構造的および電子的品質を示す平面内ヘテロジャンクションの実現可能性を示すこと。

提案手法

• モノレイヤーのヘテロ構造であるMoSe2とWSe2の成長に、物理的蒸発輸送を用いた横方向ヘテロエpitaxyを採用した。
• 成長プロセスにより、共通の基板上での2種類の異なる2次元半導体の制御された横方向拡張が可能になった。
• 光学顕微鏡により、MoSe2とWSe2の界面に可視なヘテロジャンクションが存在することが確認された。
• 原子分解能を有する透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて界面を可視化し、格子の歪みがないことを確認した。
• ヘテロジャンクションの電子的品質および界面特性を評価するために、光励起発光測定が実施された。
• 界面構造の分析により、ジャンクションを越えてモリブデン（Mo）が tungsten（W）に置換されていることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるモノレイヤー遷移金属ジ chalcogenides 間で、滑らかな横方向ヘテロジャンクションを形成できるか？
• RQ2 横方向ヘテロ構造におけるMoSe2とWSe2の界面の原子スケール構造および電子的品質は何か？
• RQ3 このようなヘテロジャンクションは、光励起発光の増強といった向上したオプトエレクトロニクス特性を示せるか？
• RQ4 横方向ヘテロエpitaxyを用いて、1つの2次元平面内で正確なバンド工学を実現できるか？

主な発見

• 物理的蒸発輸送を用いたモノレイヤーMoSe2とWSe2間の横方向ヘテロジャンクションが、光学顕微鏡で可視な界面を示す形で、成功裏に成長された。
• 原子分解能を有する透過型電子顕微鏡により、MoSe2/WSe2界面全域で歪みのないヘキサゴナル格子構造が確認され、格子ひずみや欠陥は認められなかった。
• 界面は、W原子がジャンクションを越えてMo原子に置換される連続的遷移を示しており、滑らかなヘテロ構造形成が裏付けられた。
• ヘテロジャンクション部で光励起発光が強化されたことが観察され、電子的品質の向上およびオプトエレクトロニクス応用への可能性が示された。
• 高品質で原子的に正確な界面は、トランジスタやダイオードを含む平面内2次元エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスデバイスの設計を可能にする。