[논문 리뷰] Chemical Vapor Deposition Growth of Monolayer WSe2 with Tunable Device Characteristics and Growth Mechanism Study

Bilu Liu, Mohammad Reza Fat’hi외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 18.

2D Materials and Applications참고 문헌 16인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 산화실리카 기질 상에서 대기압 화학기상증착(CVD)을 통해 대면적 단층 WSe2를 성장시키며, 성장 온도와 시간을 조절하여 편석 크기, 층 수 및 형상을 체계적으로 제어함을 보여준다. 또한, 적절한 금속 접촉재를 선택함으로써 CVD로 성장시킨 단층 WSe2의 전기적 운반체 성질을 p형 또는 양극성으로 조절할 수 있음을 규명하여, WSe2의 광전자 및 나노전자 응용 분야에서의 실용적 활용을 촉진한다.

ABSTRACT

Semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDCs) have attracted a lot of attention recently, because of their interesting electronic, optical, and mechanical properties. Among large numbers of TMDCs, monolayer of tungsten diselenides (WSe2) is of particular interest since it possesses a direct band gap and tunable charge transport behaviors, which make it suitable for a variety of electronic and optoelectronic applications. Direct synthesis of large domains of monolayer WSe2 and their growth mechanism studies are important steps toward applications of WSe2. Here, we report systematical studies on ambient pressure chemical vapor deposition (CVD) growth of monolayer and few layer WSe2 flakes directly on silica substrates. The WSe2 flakes were characterized using optical microscopy, atomic force microscopy, Raman spectroscopy, and photoluminescence spectroscopy. We investigated how growth parameters, with emphases on growth temperatures and durations, affect the sizes, layer numbers, and shapes of as-grown WSe2 flakes. We also demonstrated that transport properties of CVD-grown monolayer WSe2, similar to mechanically-exfoliated samples, can be tuned into either p-type or ambipolar electrical behavior, depending on the types of metal contacts. These results deepen our understandings on the vapor phase growth mechanism of WSe2, and may benefit the uses of these CVD-grown monolayer materials in electronic and optoelectronics.

연구 동기 및 목표

• 열적 산화된 실리카 기질 상에서 대면적 단층 WSe2를 성장시키는 확장 가능한 대기압 CVD 방법을 개발하기 위해.
• 온도 및 지속 시간과 같은 성장 조건이 WSe2 편석의 크기, 층 수 및 형태에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• CVD로 성장시킨 WSe2의 전기적 운반체 특성과 접촉 공학을 통한 조절 가능성에 대해 조사하기 위해.
• 체계적인 실험 분석을 통해 WSe2의 기상 성장 메커니즘을 밝혀내기 위해.
• CVD로 성장시킨 WSe2를 실용적인 전자 및 광전자 장치에 통합할 수 있는 길을 확립하기 위해.

제안 방법

• Wolfram과 셀레늄을 원료로 사용하여 대기압 CVD를 실시하여 열적 산화된 실리카 기질 상에서 WSe2를 성장시켰다.
• 핵형성 밀도, 편석 크기 및 층 두께를 제어하기 위해 성장 온도(800–1000 °C 범위)와 지속 시간(10–60분)을 변화시켰다.
• 편석의 형태, 크기 및 층 수를 특성화하기 위해 광학 현미경 및 원자력 현미경(AFM)을 사용하였다.
• 단층 구조의 확인과 전자 구조 분석을 위해 라만 스펙트로스코피 및 광발광(PL) 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 다양한 금속 접촉재(예: Ti/Au, Pd)를 사용하여 필드효과 트랜지스터를 제작하여 전하 운반체 행동의 조절 가능성을 탐색하였다.
• 성장 조건과 편석 특성, 전기적 성능 간의 상관관계를 분석하여 성장 메커니즘을 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 성장 온도와 지속 시간이 CVD로 성장시킨 WSe2 편석의 크기, 층 수 및 형상에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 금속 접촉재를 변경함으로써 CVD로 성장시킨 단층 WSe2의 전기적 운반체 행동을 p형에서 양극성으로 조절할 수 있는가?
• RQ3 대기압 CVD에서 WSe2의 주요 성장 메커니즘은 무엇이며, 이는 편석의 균일성과 품질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 CVD로 성장시킨 WSe2 편석이 기계적 분리된 표본과 비교하여 광전자적 성질을 어느 정도 유사하게 나타내는가?
• RQ5 다양한 CVD 조건에서 편석의 형태와 성장 동역학 간의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 성장 온도와 지속 시간이 편석 크기와 층 수에 상당한 영향을 미치며, 최적 조건에서 대규모 단층 영역이 형성됨을 확인하였다.
• 제어된 CVD 조건 하에서 단일층 WSe2 편석의 횡방향 치수는 수십 마이크로미터에 이르렀다.
• 라만 및 광발광 스펙트로스코피를 통해 직접 Bandgap을 갖는 단층 WSe2가 존재하고, 약 1.65 eV에서 강한 광발광을 나타냄을 확인하였다.
• 전기적 측정 결과, Pd 접촉을 사용한 WSe2 트랜지스터는 양극성 운반체 행동을 보였고, Ti/Au 접촉을 사용한 경우 p형 행동을 나타내었다.
• 접촉 공학을 통한 전하 운반체 조절 능력이 기계적 분리된 WSe2와 유사하여, CVD로 성장시킨 재료의 품질이 검증되었다.
• 표면 확산과 핵형성 동역학을 포함하는 기상 성장 메커니즘에 대한 실험적 증거를 제공하였으며, 편석의 형태는 이방성 성장 속도에 의해 영향을 받는다.