[논문 리뷰] Large-Area Aiming Synthesis of WSe2 Monolayers

Jing‐Kai Huang, Jiang Pu외 10명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 27.

2D Materials and Applications참고 문헌 39인용 수 636

한 줄 요약

이 논문은 텅스텐 디셀레니드(WSe2) 단일층의 대면적 합성을 위한 수소 보조 화학기수증착법을 제시한다. 반응기 내에 수소를 도입함으로써 WO3의 셀레니제이션이 크게 향상되어, 대규모이고 연속적인 WSe2 단일층 플레이크 및 박막의 성장이 가능해졌으며, 이는 전자기기 및 옵티오일렉트로닉스 분야의 2D 반도체 응용 분야에서의 핵심적 진전이다.

ABSTRACT

The monolayer transition metal dichalcogenides have recently attracted much attention owing to their potential in valleytronics, flexible and low-power electronics and optoelectronic devices. Recent reports have demonstrated the growth of large-size 2-dimensional MoS2 layers by the sulfurization of molybdenum oxides. However, the growth of transition metal selenide monolayer has still been a challenge. Here we report that the introduction of hydrogen in the reaction chamber helps to activate the selenization of WO3, where large-size WSe2 monolayer flakes or thin films can be successfully grown.

연구 동기 및 목표

• 2D 반도체 응용 분야를 위한 대면적, 고품질 WSe2 단일층의 성장을 해결하기 위해.
• 전이 금속 디칼코겐화합물 단일층의 스케일업 합성에 걸림돌이 되고 있는 WO3의 셀레니제이션 어려움을 극복하기 위해.
• 셀레니제이션 동안 WO3의 반응성 향상에 기여하는 수소의 역할을 탐색하기 위해.
• 융합형 유연성 및 저전력 전자 기기에 적합한 균일한 대면적 WSe2 단일층을 달성하기 위해.

제안 방법

• 텅스텐 삼옥사이드(WO3) 원료의 셀레니제이션 과정 중 화학기수증착(CVD) 챔버에 수소 기체를 도입하였다.
• WO3 원료를 제어된 분雰위에서 가열하여 셀레늄 기체와의 반응을 촉진하였다.
• 수소는 활성화 에너지를 낮추어 WSe2의 형성을 촉진하는 환원제로 작용하였다.
• 균일한 단일층 성장을 위해 온도, 기체 유량 및 반응 시간을 최적화하였다.
• 구조적 및 광학적 특성 분석을 위해 sapphire 기판 위에서 성장을 수행하였다.
• 결과로 얻어진 WSe2 박막은 광학 현미경, 라만 스펙트로스코피 및 원자력 현미경을 통해 특성 분석되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소 기체는 WO3의 셀레니제이션을 향상시켜 대면적 WSe2 단일층 성장을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 수소는 WO3에서 WSe2로의 상 전이를 촉진하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 이 방법을 사용하여 대면적 영역에서 연속적이고 단일 결정성 WSe2 단일층을 합성할 수 있는가?
• RQ4 필름 품질과 스케일러비리티 측면에서 기존의 셀레니제이션 방법과 비교해 수소 보조 방법은 어떠한가?

주요 결과

• 수소의 도입은 WO3의 셀레니제이션 효율을 크게 향상시켜 WSe2 단일층의 형성을 가능하게 하였다.
• 여러 미크론 이상의 횡방향 치수를 갖는 대면적 WSe2 단일층 플레이크 및 박막이 성공적으로 합성되었다.
• 라만 스펙트로스코피를 통해 특징적인 E2g 및 A1g 진동 모드가 관측되어 고정결정성 품질을 확인하였다.
• 광학 현미경 분석을 통해 균일하고 연속적인 단일층 커버리지가 큰 영역에서 관측되었으며, 결함은 최소한이었다.
• 수소 보조 방법은 기존 방법에 비해 더 온화한 조건에서도 재현 가능한 성장을 가능하게 하였다.