[논문 리뷰] Large Area Vapor Phase Growth and Characterization of MoS2 Atomic Layers on SiO2 Substrate

Yongjie Zhan, Zheng Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 22.

2D Materials and Applications참고 문헌 29인용 수 67

한 줄 요약

이 논문은 SiO2 기판 상에 직접적으로 대면적 단층에서 몇 겹의 티몰리브데나이드 디설파이드(MoS2) 원자층을 성장시키는 확장 가능한 화학기상증착(CVD) 방법을 제시한다. 이 기술은 직접적인 소자 제작이나 임의의 기판으로의 용이한 이송을 가능하게 하며, 고해상도 투과형 전자현미경 및 라만 분광법을 통해 균일하고 몇 겹의 MoS2 필름이 직접 밴드 갭 특성을 지닌 것으로 확인되어 2차원 나노전자소자에 적합하다.

ABSTRACT

Monolayer Molybdenum disulfide (MoS2), a two-dimensional crystal with a direct bandgap, is a promising candidate for 2D nanoelectronic devices complementing graphene. There have been recent attempts to produce MoS2 layers via chemical and mechanical exfoliation of bulk material. Here we demonstrate the large area growth of MoS2 atomic layers on SiO2 substrates by a scalable chemical vapor deposition (CVD) method. The as-prepared samples can either be readily utilized for further device fabrication or be easily released from SiO2 and transferred to arbitrary substrates. High resolution transmission electron microscopy and Raman spectroscopy on the as grown films of MoS2 indicate that the number of layers range from single layer to a few layers. Our results on the direct growth of MoS2 layers on dielectric leading to facile device fabrication possibilities show the expanding set of useful 2D atomic layers, on the heels of graphene, which can be controllably synthesized and manipulated for many applications.

연구 동기 및 목표

• dielectric 기판 상에서 대면적 MoS2 원자층을 성장시키는 확장 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 복잡한 이송 단계 없이 MoS2를 소자 구조에 직접 통합할 수 있도록 하기 위해.
• 전자적 응용을 위한 두께가 제어된 균일한 몇 겹의 MoS2 필름을 달성하기 위해.
• 실용적인 나노전자소자 제작을 위한 SiO2 상에 직접 MoS2를 성장시키는 가능성의 타당성을 입증하기 위해.
• 고해상도 현미경 및 분광법을 이용하여 성장한 MoS2 층의 구조적 및 전자적 성질을 특성화하기 위해.

제안 방법

• 고온에서 SiO2 기판 상에 MoS2 층을 CVD를 사용하여 성장시켰다.
• CVD 반응기에서 무연성 아르곤 기류 조건 하에 모리브데나이드 산화물과 황 분말을 원료로 사용하였다.
• 균일한 층 형성에 적합한 온도, 압력 및 원료 비율 등의 성장 조건을 최적화하였다.
• 고해상도 투과형 전자현미경(HRTEM)을 활용하여 층 수와 결정 구조를 분석하였다.
• 라만 분광법을 사용하여 층 두께를 확인하고 단층 및 몇 겹의 MoS2 존재 여부를 규명하였다.
• 성장 후 처리를 통해 직접적인 소자 제작 또는 다른 기판으로의 이송이 가능하도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장 가능한 CVD 방법을 사용하여 SiO2 기판 상에 대면적이고 균일한 MoS2 원자층을 직접 성장시킬 수 있는가?
• RQ2 CVD로 성장한 MoS2 필름의 두께 분포와 결정성은 어떠한가?
• RQ3 MoS2 층은 직접 소자 제작에 사용되거나 다른 기판으로 쉽게 이송될 수 있는가?
• RQ4 성장한 MoS2의 구조적 및 진동 성질은 이론적 및 분리된 필름과 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ5 MoS2 필름의 품질과 균일성에 영향을 주는 주요 성장 조건은 무엇인가?

주요 결과

• CVD를 통해 SiO2 기판 상에 균일한 커버리지의 대면적 MoS2 필름이 성공적으로 성장되었다.
• HRTEM 분석을 통해 잘 정의된 격자 구조를 지닌 단층에서 몇 겹의 MoS2 구조가 존재하는 것으로 확인되었다.
• 라만 분광법을 통해 단층 및 몇 겹의 MoS2에 해당하는 고유한 피크 위치와 강도 비율이 나타났다.
• MoS2 층은 직접 밴드 갭을 가지며, 옵티오일렉트로닉스 및 나노전자소자 응용에 적합함을 확인하였다.
• 이 필름은 열화 없이 직접 소자 제작에 활용되거나 임의의 기판으로 쉽게 이송될 수 있었다.
• CVD 공정을 통해 두께와 균일성이 제어된 고품질 2차원 MoS2의 대량 합성이 가능해졌다.