[论文解读] Large Area Vapor Phase Growth and Characterization of MoS2 Atomic Layers on SiO2 Substrate

Yongjie Zhan, Zheng Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2011

2D Materials and Applications参考文献 29被引用 67

一句话总结

本文提出了一种可扩展的化学气相沉积（CVD）方法，可在SiO2基底上直接生长大面积的单层至少层二硫化钼（MoS2）原子层。该技术可实现直接器件制造或简便转移至任意基底，高分辨透射电子显微镜和拉曼光谱分析证实了均匀的少层MoS2薄膜具有直接带隙特性，适用于二维纳米电子学。

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.

研究动机与目标

• 开发一种在电介质基底上生长大面积MoS2原子层的可扩展方法。
• 实现MoS2在器件结构中的直接集成，避免复杂的转移步骤。
• 实现厚度可控的均匀少层MoS2薄膜，适用于电子应用。
• 证明在SiO2上直接生长MoS2的可行性，以实现实际纳米电子器件的制造。
• 利用先进显微镜和光谱技术表征所生长MoS2层的结构和电子特性。

提出的方法

• 采用化学气相沉积（CVD）在高温下于SiO2基底上生长MoS2层。
• 在受控氩气流下，使用三氧化钼和硫粉作为CVD反应器中的前驱体。
• 优化了温度、压力和前驱体比例等生长参数，以实现均匀层状结构。
• 采用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）分析层数和晶体结构。
• 利用拉曼光谱确认层厚并识别单层和少层MoS2的存在。
• 后处理工艺允许直接进行器件制造或将其转移到其他基底上。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用可扩展的CVD方法在SiO2基底上直接生长大面积且均匀的MoS2原子层？
• RQ2 CVD生长的MoS2薄膜的厚度分布和结晶性如何？
• RQ3 MoS2层能否直接用于器件制造或轻松转移至其他基底？
• RQ4 所生长MoS2的结构和振动特性与理论计算及机械剥离样品相比如何？
• RQ5 哪些关键生长参数影响MoS2薄膜的质量和均匀性？

主要发现

• 成功使用CVD方法在SiO2基底上生长出大面积且覆盖均匀的MoS2薄膜。
• HRTEM分析证实了存在单层至少层MoS2结构，且具有清晰定义的晶格结构。
• 拉曼光谱显示了与单层和少层MoS2一致的特征峰位和强度比。
• MoS2层表现出直接带隙，证实其适用于光电子和纳米电子应用。
• 所生长的薄膜可直接用于器件制造，或在不退化的情况下轻松转移到任意基底。
• CVD工艺实现了高质量二维MoS2的可扩展合成，具有可控的厚度和均匀性。