[論文レビュー] Viable route towards large-area two dimensional MoS2 using magnetron sputtering

Hassana Samassekou, Asma Alkabsh+9 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2016

2D Materials and Applications参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、六方晶窒化ホウ素（h-BN）バッファ層を有するシリコン基板上でのマグネトロンスパッタリングを用いて、少数層モリブデンジチリド（MoS2）の実用的で大面積なプロセスを示した。この手法により、構造的・光学的・電気的特性の評価によって確認された、優れた界面および体積特性を有する高品質で均一なMoS2薄膜が得られた。他の大面積プロセスと同等の導電性および光応答性を示した。

ABSTRACT

Structural, interfacial, optical, and transport properties of large-area MoS2 ultra-thin films on BN-buffered silicon substrates fabricated using magnetron sputtering are investigated. A relatively simple growth strategy is demonstrated here that simultaneously promotes superior interfacial and bulk MoS2 properties. Few layers of MoS2 are established using X-ray reflectivity, diffraction, ellipsometry, and Raman spectroscopy measurements. Layer-specific modeling of optical constants shows very good agreement with first-principles calculations. Conductivity measurements reveal that few-layer MoS2 films are more conducting than many-layer films. Photo-conductivity measurements reveal that the sputter deposited MoS2 films compare favorably with other large-area methods. Our work illustrates that sputtering is a viable route for large-area device applications using transition metal dichalcogenides.

研究の動機と目的

• 大面積でスケーラブルな合成法を確立し、フォトエレクトロニクスおよびエレクトロニクスデバイスに適した少数層MoS2を合成すること。
• h-BNバッファ付き基板上での制御されたスパッタリングプロセスにより、MoS2薄膜の界面および体積特性を向上させること。
• マグネトロンスパッタリングが、他の大面積プロセスと同等の性能を示すMoS2薄膜を生成できることを実証すること。
• スパッタリング法で得たMoS2の構造的・光学的・電気的特性を第一原理計算と照合すること。
• 物理的蒸着法を用いた遷移金属ジ chalcogenide（TMD）の信頼性が高く再現性のある成長戦略を確立すること。

提案手法

• 六方晶窒化ホウ素（h-BN）バッファ層を事前に形成したシリコン基板上に、マグネトロンスパッタリングを用いてMoS2薄膜を堆積した。
• 薄膜の厚さ、結晶性、層数を評価するために、X線反射率、X線回折、屈折率測定、ラマン分光法を用いた。
• 光学定数の層別モデル化を実施し、第一原理計算と比較することで、薄膜の品質を検証した。
• 電子輸送性およびフォトエレクトロニクス的応答を評価するために、導電性および光起電力測定を実施した。
• 欠陥を最小限に抑えるよう成長プロセスを最適化し、均一で少数層のMoS2形成を確保した。
• 界面および体積的MoS2特性を同時に向上させるシンプルでスケーラブルな堆積戦略を開発した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マグネトロンスパッタリングは、高い構造的・電子的品質を有する大面積で少数層のMoS2薄膜を生成可能か？
• RQ2 スパッタリング法で得たMoS2の界面および体積特性は、他の大面積合成法と比較してどのように異なるか？
• RQ3 測定された光学的および電気的特性が、第一原理予測とどの程度一致するか？
• RQ4 スパッタリング法で得たMoS2薄膜における層数と電気的導電性の関係は何か？
• RQ5 スパッタリング法で得たMoS2薄膜は、他の大面積TMD薄膜と同等の光応答性能を示せるか？

主な発見

• X線反射率およびラマン分光法による確認により、h-BNバッファ付きSi基板上にマグネトロンスパッタリングを用いて少数層MoS2薄膜が成功裏に成長した。
• 屈折率測定から得られた光学定数は、第一原理計算と良好に一致しており、薄膜の品質および層数依存特性の妥当性が裏付けられた。
• 導電性測定により、少数層MoS2薄膜が多数層のものよりも高い導電性を示したことが判明した。
• 光起電力測定により、スパッタリング法で得たMoS2薄膜が、他の大面積プロセスで成長したMoS2薄膜と同等の強力なフォトエレクトロニクス的応答を示した。
• スパッタリングプロセスにより、優れた界面および体積特性を有する均一で大面積のMoS2薄膜が形成可能であり、スケーラブルなTMDデバイス統合への実用的ルートであることが示された。
• 本研究により、マグネトロンスパッタリングが、実用応用に向けた大面積2次元MoS2を生成するためのスケーラブルで制御可能かつ高性能な手法であることが確認された。