[논문 리뷰] Synthesis and optical properties of large-scale single-crystalline two-dimensional semiconductor WS2 monolayer from chemical vapor deposition

Chunxiao Cong, Jingzhi Shang외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 05.

2D Materials and Applications참고 문헌 50인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 광학 품질이 높은 대규모 단일결정성 이중티탄산화물(WS2) 양자점의 화학기상증착(CVD) 합성을 입증한다. 이는 강한 광발광과 밸리 선택성 원형 이색성으로 확인된 것으로, 옵티오일렉트로닉스 응용을 위한 고품질 2차원 반도체의 확장 가능한 생산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs), especially MoS2 and WS2 recently attract extensive attentions due to their rich physics and great potential applications. Superior to graphene, MS2 (M = Mo/W) monolayers have a native direct energy gap in visible frequency range. This promises great future of MS2 for optoelectronics. To exploit properties and further develop more applications, producing large-scale single crystals of MS2 by a facile method is highly demanded. Here, we report the synthesis of large-scale triangular single crystals of WS2 monolayer from a chemical vapor deposition process and systematic optical studies of such WS2 monolayers. The observations of high yield of light emission and valley-selective circular dichroism experimentally evidence the high optical quality of the WS2 monolayers. This work paves the road to fabricate large-scale single crystalline 2D semiconductors and study their fundamentals. It must be very meaningful for exploiting great potentials of WS2 for future optoelectronics.

연구 동기 및 목표

• 대면적 단일결정성 WS2 단일층을 생산하는 확장 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 옵티오일렉트로닉스 응용을 위한 2차원 전이금속 디칼코겐화합물에서 고광학 품질을 달성하는 데 도전하기 위해.
• CVD로 합성된 WS2 단일층의 광학적 성질을 체계적으로 조사하기 위해.
• 대규모 단일결정성 WS2를 향후 옵티오일렉트로닉스 장치에 활용할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 알루미나 기판 상에서 대규모 삼각형 단일결정성 WS2 단일층을 화학기상증착(CVD)을 통해 성장시켰다.
• 텅스텐과 황 원료를 저압 환경에서 열증착하여 제어된 성장을 가능하게 하였다.
• 온도, 압력, 원료 유량 등의 성장 조건을 최적화하여 단일결정 영역를 확보하였다.
• 광학적 특성 분석으로는 발광 효율을 평가하기 위해 광발광 스펙트로스코피를 실시하였다.
• 광학 활성성과 스핀-밸리 결합을 확인하기 위해 밸리 선택성 원형 이색성 측정을 수행하였다.
• 고해상도 투과전자현미경 및 라만 스펙트로스코피를 사용하여 결정 구조와 품질을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 화학기상증착를 통해 고구조적 및 고광학적 품질을 확보한 대규모 단일결정성 WS2 단일층을 합성할 수 있는가?
• RQ2 CVD로 합성된 WS2 단일층의 광발광 효율은 기계적 분리된 대비와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 CVD로 합성된 WS2는 밸리 선택성 광학 활성성을 나타내는가? 이는 스핀-밸리 자유도가 유지되었음을 의미하는가?
• RQ4 큰 삼각형 단일결정 영역 형성을 가능하게 하는 성장 조건은 무엇인가?
• RQ5 CVD로 합성된 WS2 단일층의 광학적 성질이 실용적 옵티오일렉트로닉스 응용을 뒷받침할 수 있는가?

주요 결과

• CVD를 통해 획득한 대규모 삼각형 단일결정성 WS2 단일층은 횡방향 치수로 수백 마이크로미터까지 확장 가능하였다.
• WS2 단일층는 높은 광발광 양자수율을 나타내어 뛰어난 광학 품질을 입증하였다.
• 실제로 밸리 선택성 원형 이색성이 관측되어 CVD로 합성된 단일층에서 밸리 정렬이 유지되었음을 확인하였다.
• 라만 스펙트로스코피를 통해 단일층 WS2의 특징적인 E2g 및 A1g 진동 모드가 확인되어 단일결정성 구조와 일치함을 입증하였다.
• CVD 공정은 높은 수율의 단일결정 영역를 확보하여 고품질 2차원 반도체의 대량 생산이 가능함을 입증하였다.
• CVD로 합성된 WS2의 광학적 성질은 기계적 분리된 단일층과 유사하여 장치 통합 잠재력이 검증되었다.