[논문 리뷰] Lateral heterojunctions within monolayer semiconductors

Chun-Ming Huang, Sanfeng Wu외 8명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 12.

2D Materials and Applications참고 문헌 32인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 물리적 수증기 증착을 이용한 횡방향 이소에피택시를 통해 단층 MoSe2와 WSe2 사이의 원활하고 고품질의 횡방향 이종접합의 성장을 보여준다. 결과적으로 형성된 평면 내 접합은 원자 척도의 상호혼합이 있는 무왜곡의 꿀벌집 격자 구조를 보이며, 증가된 광발광을 나타내어 2차원 물질에서의 밴드 엔지니어링을 실현함으로써 원자 두께의 트랜지스터와 다이오드를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Heterojunctions between three-dimensional (3D) semiconductors with different bandgaps are the basis of modern light-emitting diodes, diode lasers, and high-speed transistors. Creating analogous heterojunctions between different two-dimensional (2D) semiconductors would enable band engineering within the 2D plane and open up new realms in materials science, device physics and engineering. Here we demonstrate that seamless high-quality in-plane heterojunctions can be grown between the 2D monolayer semiconductors MoSe2 and WSe2. The junctions, grown by lateral hetero-epitaxy using physical vapor transport, are visible in an optical microscope and show enhanced photoluminescence. Atomically resolved transmission electron microscopy reveals that their structure is an undistorted honeycomb lattice in which substitution of one transition metal by another occurs across the interface. The growth of such lateral junctions will allow new device functionalities, such as in-plane transistors and diodes, to be integrated within a single atomically thin layer.

연구 동기 및 목표

• 다른 단층 반도체 사이에 원활한 횡방향 이종접합을 형성하는 방법을 개발하는 것.
• 새로운 전자 및 옵토전자닉 장치를 위해 단일 2차원 평면 내에서의 밴드 엔지니어링을 가능하게 하는 것.
• MoSe2와 WSe2와 같은 두 개의 서로 다른 2차원 반도체 간의 인터페이스에서 원자 척도의 제어를 달성하는 것.
• 미래의 2차원 장치 통합을 위한 높은 구조적 및 전자적 품질을 갖춘 평면 내 이종접합의 가능성에 대한 실증

제안 방법

• 단층 이종구조인 MoSe2와 WSe2를 형성하기 위해 물리적 수증기 증착을 이용한 횡방향 이소에피택시를 적용하였다.
• 성장 공정을 통해 동일한 기질 상에서 두 개의 서로 다른 2차원 반도체가 제어된 횡방향 확장을 가능하게 하였다.
• 광학 현미경을 통해 MoSe2와 WSe2 간의 인터페이스에서 눈에 띄는 이종접합의 존재를 확인하였다.
• 원자 해상도의 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 인터페이스를 시각화하고 격자 왜곡이 없는 것을 확인하였다.
• 이종접합의 전자적 품질과 인터페이스 특성을 평가하기 위해 광발광 측정을 수행하였다.
• 이종접합의 인터페이스 구조를 분석하여 접합을 가로질러 한 전이금속(Mo)이 다른 전이금속(W)으로 치환된 것을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 단층 전이금속 디 chalcogenide 사이에 원활한 횡방향 이종접합을 형성할 수 있는가?
• RQ2 횡방향 이종구조에서 MoSe2와 WSe2 간의 인터페이스의 원자 척도의 구조와 전자적 품질은 어떠한가?
• RQ3 이러한 이종접합은 광발광 증가와 같은 향상된 옵토전자닉 특성을 나타낼 수 있는가?
• RQ4 횡방향 이소에피택시를 이용해 단일 2차원 평면 내에서 정밀한 밴드 엔지니어링을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 물리적 수증기 증착을 통해 단층 MoSe2와 WSe2 사이의 횡방향 이종접합을 성공적으로 성장시켜 광학 현미경에서 눈에 띄는 인터페이스를 확보하였다.
• 원자 해상도의 투과전자현미경을 통해 MoSe2/WSe2 인터페이스 전역에서 왜곡되지 않은 꿀벌집 격자 구조가 확인되었으며, 격자 응력이나 결함이 없었다.
• 인터페이스는 W 원자가 접합을 가로질러 Mo 원자를 치환하는 연속적인 전이를 보이며, 원활한 이종구조 형성의 증거가 되었다.
• 이종접합에서 증가된 광발광이 관측되어 전자적 품질 향상과 옵토전자닉 응용 가능성을 시사하였다.
• 고품질의 원자 정밀 인터페이스는 평면 내 2차원 전자 및 옵토전자닉 장치, 예를 들어 트랜지스터와 다이오드의 설계를 가능하게 한다.