[論文レビュー] Molecular beam epitaxial growth of MoSe2 on graphite, CaF2 and graphene

Suresh Vishwanath, Xinyu Liu+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2014

2D Materials and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ファンデルワールスエpitaxyを用いて、グラファイト、CaF2、エpitaxialグラファイト基板上に高品質な2次元モノレイヤーMoSe2を分子線エpitaxy（MBE）で成長させることに成功した。Mo:Se比は1:2であり、室温で約1.56 eVの強い光励起発光を示した。鋭いバンドエッジ吸収（<60 meV）は、高い構造的品質を確認しており、MBEが、チューナブルなオプトエレクトロニクス特性を有するスケーラブルで高移動度な2次元半導体ヘテロ構造の実現に有望であることを示している。

ABSTRACT

We report the structural and optical properties of molecular beam epitaxy (MBE) grown 2-dimensional (2D) material molybdenum diselenide (MoSe2) on graphite, CaF2 and epitaxial graphene. Extensive characterizations reveal that 2H- MoSe2 grows by van-der-Waals epitaxy on all 3 substrates with a preferred crystallographic orientation and a Mo:Se ratio of 1:2. Photoluminescence at room temperature (~1.56 eV) is observed in monolayer MoSe2 on both CaF2 and epitaxial graphene. The band edge absorption is very sharp, &lt;60 meV over 3 decades. Overcoming the observed small grains by promoting mobility of Mo atoms would make MBE a powerful technique to achieve high quality 2D materials and heterostructures.

研究の動機と目的

• 分子線エpitaxy（MBE）を用いて、MoSe2のような2次元遷移金属ジ chalcogenidesをスケーラブルかつ高品質に成長させる方法を開発すること。
• グラファイト、CaF2、およびエpitaxialグラファイトを含む多様な基板上に成長させたMoSe2の構造的および光学的性質を調査すること。
• 光励起発光およびバンドエッジ吸収の測定を通じて、MBE成長MoSe2のオプトエレクトロニクス応用への可能性を評価すること。
• 小さな結晶粒やアトムの移動度の制限といった成長の制限要因を特定し、材料品質の向上に向けた戦略を提案すること。

提案手法

• 高配向ピロライティックグラファイト（HOPG）、CaF2、およびエpitaxialグラファイト基板上に、分子線エpitaxy（MBE）を用いてMoSe2を成長させた。
• ファンデルワールスエpitaxyを採用し、格子一致の制約なしにヘテロエpitaxy成長を可能にする弱い層間力に依存した。
• X線回折および透過電子顕微鏡を用いた構造的特徴付けにより、2H相および結晶指向性の確認を行った。
• 室温での発光を測定するため、光励起分光法を用いた。モノレイヤーMoSe2では約1.56 eVの発光を観測した。
• バンドエッジ吸収は、強度の3桁にわたる範囲で、フルーリン幅が<60 meVであることを測定し、高い電子的品質を示した。
• 元素分析によりストイキオメトリを確認した。Mo:Se比は1:2であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファンデルワールズエpitaxyを用いて、格子一致しない基板（グラファイトやCaF2）上でも、分子線エpitaxyが高品質な2次元MoSe2を生成できるか？
• RQ2 CaF2およびエpitaxialグラファイト上に成長させたMBE-MoSe2の光学的品質は、特に光励起発光およびバンドエッジの鋭さの観点でどうであるか？
• RQ3 結晶性および指向性の観点から、異なる基板上に成長させたMBE-MoSe2の構造的品質は、どのように比較できるか？
• RQ4 MBE成長MoSe2の結晶粒サイズが小さい要因は何か？また、アトムの移動度を向上させることで材料品質を改善できるか？
• RQ5 MBEは、高移動度2次元半導体ヘテロ構造をスケーラブルかつ制御可能に製造するための有効な手法とみなせるか？

主な発見

• CaF2およびエpitaxialグラファイト上に成長させたモノレイヤーMoSe2は、室温で約1.56 eVの強い光励起発光を示し、高い光学的品質を示している。
• MBE成長MoSe2のバンドエッジ吸収は極めて鋭く、強度の3桁にわたる範囲でフルーリン幅が60 meV未満であった。
• すべての基板上に2H-MoSe2が、好ましい結晶指向性を示して形成されており、ファンデルワールズ力によるエpitaxial成長が確認された。
• Mo:Seのストイキオメトリ比は正確に1:2であり、制御された成長条件および低欠陥密度を示している。
• 高い構造的および光学的品質を示す一方で、結晶粒のサイズは依然として小さいため、成長中のアトムの移動度が制限されていると推察された。
• MBEは高品質な2次元材料およびヘテロ構造を成長させる有効な手法であることが示されたが、Mo原子の表面拡散を向上させることでさらなる品質向上が期待できる。