[논문 리뷰] Effects of processing on the stability of molybdenum oxide ultra-thin films

Aitana Tarazaga Martín-Luengo, Harald Köstenbauer외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 26.

Transition Metal Oxide Nanomaterials참고 문헌 53인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 표준 습식 화학 처리가 초박판 모리브덴 산화물(MoOₓ) 필름의 안정성과 전자적 성질에 미치는 영향을 조사한다. XPS, ARXPS, XRR를 사용하여, 포지트리트 및 용매를 사용한 처리가 특히 비스티오메트릭인 MoOₓ 필름에서 현저한 환원을 유도함으로써 갭 상태를 생성하고 조성, 밀도, 구조를 변화시킴을 입증한다. 반면, 완전히 산화된 및 완전히 금속성 상은 더 높은 안정성을 보인다.

ABSTRACT

The effects of wet chemical processing conventionally employed in device fabrication standards are systematically studied on molybdenum oxide (MoOx) ultra-thin films. We have combined x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), angle resolved XPS and x-ray reflectivity techniques to provide deep insights into the changes in composition, structure and electronic states upon treatment of films with different initial stoichiometry prepared by reactive sputtering. Our results show significant reduction effects associated with the development of gap states in MoOx, as well as changes in the composition, density and structure of the films, systematically correlated with the initial oxidation state of Mo.

연구 동기 및 목표

• 표준 습식 화학 처리가 초박판 MoOₓ 필름의 안정성에 미치는 영향을 체계적으로 평가하는 것.
• 가공에 의해 유도된 변화가 MoOₓ의 산화 상태, 조성, 전자 구조에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 초기 스토이키오메트리( MoO₃, MoO₂₊ₓ, MoO₃₋ₓ, Mo)와 필름 안정성 및 전자적 성질 간의 상관관계를 규명하는 것.
• MoOₓ 기반 장치에서 뜻하지 않은 환원과 갭 상태 형성 최소화를 위한 가공 프로토콜을 규명하는 것.
• 신뢰성 있는 전하 수송 응용을 위한 MoOₓ의 밴드 상태 설계 지침을 제공하는 것.

제안 방법

• 반응성 스퍼터링을 사용하여 산소 부분 압력을 제어함으로써 유리 기판 상에 약 10 nm 두께의 비정질 MoOₓ 필름을 다양한 스토이키오메트리를 갖도록 성장시켰다.
• Mo 및 산소의 화학적 상태, 산화 상태 및 깊이 프로파일 분석을 위해 X선 광전자 분광법(XPS)과 각도 분 giải XPS(ARXPS)를 활용하였다.
• 필름 두께, 밀도 및 계면 거칠기 측정을 위해 X선 반사율(XRR) 측정을 실시하였으며, 데이터는 GenX 소프트웨어와 Parratt 재귀법을 사용하여 피팅하였다.
• 산화 상태 변화 또는 화학적으로 흡착된 종류에 의해 유도되는 밀도 기울기를 모의하기 위해 밀도가 가변적인 이중층 모델을 사용하였다.
• 표준 포지트리트(Shipley S1818) 및 용매를 사용한 가공 후 공기 노출을 통해 장치 제작 공정 단계를 시뮬레이션하였다.
• 절대 로그 오차 기반의 성능 지표(FOM)를 최소화하기 위해 미분 진화 알고리즘을 사용하여 층 파rameter를 정밀 조정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 습식 화학 처리는 초박판 MoOₓ 필름의 산화 상태와 화학 조성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 가공에 의해 유도된 변화가 MoOₓ 필름에 갭 상태 형성에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 MoOₓ 필름의 초기 스토이키오메트리와 산화 상태는 가공 중 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 흡착된 종이 Mo 이온의 환원과 전자 구조 변화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 가공 후 필름의 밀도와 계면 거칠기는 어떻게 변화하며, 초기 필름 조성과의 상관관계는 어떠한가?

주요 결과

• 포지트리트 및 용매를 사용한 가공은 특히 비스티오메트릭인 상(MoO₃₋ₓ 및 MoO₂₊ₓ)에서 현저한 환원을 유도하며, 갭 상태 형성을 초래한다.
• 환원 효과는 표면을 초과하여 확장되며, Mo의 초기 산화 상태와 강하게 상관되며, 중간 산화 상태를 가진 필름에서 더 높은 환원이 관찰된다.
• XRR 분석 결과, 가공 후 필름의 밀도 및 두께에 변화가 나타났으며, 특히 MoO₃₋ₓ 및 MoO₂₊ₓ 필름에서 가장 두드러진 변화를 보여 구조적 및 조성적 변화를 시사한다.
• 각도 분해 XPS는 환원 및 갭 상태 형성이 표면에 국한되지 않고 부피 내부로 침투함을 보여주며, 깊이 프로파일은 흡착된 종이나 산소 공석을 시사한다.
• 완전히 산화된(MoO₃) 및 완전히 금속성 상(MoO₂₊ₓ)은 가공에 의한 환원에 대해 가장 높은 안정성을 보이며, 장치 통합에서 더 뛰어난 내구성을 가짐을 시사한다.
• 공기 중 4일 노출 후에도 환원 및 갭 상태 강도는 안정을 유지하여 변화가 지속적임을 나타내며, 일시적인 변화가 아님을 입증한다.