[논문 리뷰] Molecular beam epitaxial growth of MoSe2 on graphite, CaF2 and graphene

Suresh Vishwanath, Xinyu Liu외 9명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 18.

2D Materials and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 분자束 epitaxial (MBE) 성장 기반으로 고질적 2차원 단일층 MoSe2를 그래파이트, CaF2 및 에pitaxial 그래핀 기질 상에서 반데르발스 에피택시를 통해 성장시켰으며, Mo:Se 비율 1:2와 약 1.56 eV에서 강한 실온 광발광을 달성하였다. 날카른 밴드 에지 흡수 (<60 meV) 는 높은 구조적 품질을 확인하였으며, MBE가 가변적인 옵티오일렉트로닉 특성을 지닌 스케일러블 고이동도 2차원 반도체 이중구조를 위한 유망한 길임을 시사한다.

ABSTRACT

We report the structural and optical properties of molecular beam epitaxy (MBE) grown 2-dimensional (2D) material molybdenum diselenide (MoSe2) on graphite, CaF2 and epitaxial graphene. Extensive characterizations reveal that 2H- MoSe2 grows by van-der-Waals epitaxy on all 3 substrates with a preferred crystallographic orientation and a Mo:Se ratio of 1:2. Photoluminescence at room temperature (~1.56 eV) is observed in monolayer MoSe2 on both CaF2 and epitaxial graphene. The band edge absorption is very sharp, &lt;60 meV over 3 decades. Overcoming the observed small grains by promoting mobility of Mo atoms would make MBE a powerful technique to achieve high quality 2D materials and heterostructures.

연구 동기 및 목표

• 분자束 에피택시(MBE)를 이용하여 MoSe2와 같은 2차원 전이 금속 디칼코겐화합물의 스케일러블이고 고품질의 성장을 개발하기 위해.
• 그래파이트, CaF2 및 에피택셜 그래핀을 포함한 다양한 기질 상에서 성장한 MoSe2의 구조적 및 광학적 성질을 조사하기 위해.
• 광발광 및 밴드 에지 흡수 측정을 통해 MBE 성장 MoSe2의 옵티오일렉트로닉 응용 잠재력을 평가하기 위해.
• 작은 결정립 크기와 같은 성장 제한 요소를 규명하고, 더 나은 재료 품질을 위한 표면 확산 향상 전략을 제안하기 위해.

제안 방법

• 고도로 정렬된 피로불라틱 그래파이트(HOPG), CaF2 및 에피택셜 그래핀 기질 상에서 MBE를 사용하여 MoSe2를 성장시켰다.
• 반데르발스 에피택시를 적용하여 약한 계면력에 기반해 격자 일치 조건 없이 이중에피택시 성장을 가능하게 하였다.
• X선 회절 및 투과전자현미경을 이용한 구조적 특성 분석을 통해 2H 상과 결정학적 정렬을 확인하였다.
• 실온에서의 광발광 측정을 위해 광발광 스펙트로스코피를 사용하였으며, 단일층 MoSe2에서 약 1.56 eV에서 방출을 관측하였다.
• 세 대의 강도 범위에 걸쳐 밴드 에지 흡수의 폭이 <60 meV로 측정되어 높은 전자적 품질을 나타내었다.
• 요소 분석을 통한 스토이키오메트리 확인 결과, Mo:Se 비율은 정확히 1:2로 나타나 성장 조건의 제어 및 낮은 결함 농도를 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분자束 에피택시는 그래파이트 및 CaF2와 같은 격자 일치가 불량한 기질 상에서도 반데르발스 에피택시를 통해 고품질 2차원 MoSe2를 생성할 수 있는가?
• RQ2 CaF2 및 에피택셜 그래핀 상에서 성장한 MBE-MoSe2의 광학 품질은 광발광 및 밴드 에지의 날카러움 측면에서 어떻게 평가될 수 있는가?
• RQ3 다양한 기질 상에서 MBE 성장 MoSe2의 구조적 품질은 결정성 및 정렬 측면에서 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ4 MBE 성장 MoSe2의 결정립 크기를 제한하는 요소는 무엇이며, 표면 확산 향상은 재료 품질 향상에 기여할 수 있는가?
• RQ5 MBE는 고이동도 2차원 반도체 이중구조를 스케일러블하고 제어 가능한 방법으로 생산하는 데 유망한가?

주요 결과

• CaF2 및 에피택셜 그래핀 상에서 성장한 단일층 MoSe2는 약 1.56 eV에서 강한 실온 광발광을 나타내어 높은 광학 품질을 입증하였다.
• MBE 성장 MoSe2의 밴드 에지 흡수는 매우 날카롭게 나타나 세 대의 강도 범위에 걸쳐 폭이 60 meV 미만이었다.
• 모든 기질 상에서 2H-MoSe2가 선호되는 결정학적 정렬을 보이며 반데르발스 힘에 의한 에피택시 성장을 확인하였다.
• Mo:Se 스토이키오메트리 비율은 정확히 1:2로 나타나 제어된 성장 조건과 낮은 결함 농도를 의미한다.
• 높은 구조적 및 광학적 품질에도 불구하고 결정립 크기는 여전히 작아 성장 중 표면 확산이 제한되어 있음을 시사한다.
• MBE는 고품질 2차원 재료 및 이중구조를 성장시키는 데 실현 가능하며, Mo 원자의 표면 확산 향상으로 향후 품질 향상 가능성이 있다.