[论文解读] Stable and scalable metallic phase on MoS2 using forming-gas microwave plasma

Chithra H. Sharma, Ananthu P. Surendran+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2018

2D Materials and Applications参考文献 58被引用 15

一句话总结

本文提出了一种可扩展、光刻可控制的方法，通过Ar + H2微波等离子体处理将2H-MoS2转化为稳定的金属相1T。该技术可实现连续的1T区域，表现出欧姆输运特性、低面电阻（约1 kΩ/sq）以及高达300 °C的热稳定性，适用于单片2D电子器件。

ABSTRACT

Monolithic realization of metallic 1T and semiconducting 2H polymorphic phases makes MoS2 a potential candidate for future microelectronic circuits. Though co-existence of these phases has been reported, a method for engineering a stable 1T phase in a scalable manner, compatible with the standard device fabrication schemes is yet to emerge. In addition, there are no comprehensive studies on the electrical properties of the 1T phase. In this manuscript, we demonstrate a controllable and scalable 2H to 1T phase engineering technique for MoS2 using Ar + H2 microwave plasma. The technique enables us to realize 1T MoS2 starting from the 2H phase of arbitrary thickness and area. Our method allows lithographically defining continuous 1T regions in a 2H sample. The 1T samples withstand aging in excess of a few weeks in ambience and show a thermal stability up to 300 C, making it suitable for standard device fabrication techniques. We conduct both two-probe and four-probe electrical transport measurements on devices with back-gated field effect transistor geometry in a temperature range of 4 K to 300 K. The 1T samples exhibit Ohmic current-voltage characteristics in all temperature ranges without any dependence to the gate voltage, a signature indicative of metallic state. The sheet resistance of our 1T MoS2 sample is considerably lower than that of 2H samples while the carrier concentration of the 1T sample is few orders of magnitude higher than that of the 2H samples. In addition, our samples show negligible temperature dependence of resistance from 4 K to 300 K ruling out any hoping mediated or activated electrical transport.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展且可控的方法，诱导MoS2中的金属相1T，用于纳米电子器件。
• 解决现有稳定、可扩展的1T-MoS2合成方法在标准制造工艺中兼容性不足的问题。
• 实现在2H-MoS2基质中连续1T区域的光刻图案化，以实现单片电路集成。
• 表征1T相的电学特性，确认其在环境及热条件下的金属行为与稳定性。

提出的方法

• 利用Ar + H2微波等离子体在任意厚度和面积上诱导MoS2从2H相向1T相转变。
• 在受控环境中进行等离子体处理，以实现均匀的相变，同时保持基底完整性。
• 利用光刻图案化技术定义特定区域以形成1T相，实现选择性金属化。
• 在环境条件下进行处理后的表征，以评估相在时间上的稳定性。
• 从4 K到300 K进行四探针和两探针电输运测量，以评估金属行为。
• 测量面电阻和载流子浓度，以量化金属特性，并与2H-MoS2进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否开发一种可扩展且可控的方法，将2H-MoS2转化为稳定金属相1T？
• RQ2 1T相是否在宽温度范围（4 K至300 K）内表现出金属输运行为？
• RQ3 能否利用光刻图案化在2H-MoS2基质中定义连续的1T区域？
• RQ4 1T相在环境条件及高温下的稳定性如何？
• RQ5 1T相的电输运特性（电阻、载流子浓度）与2H-MoS2相比有何差异？

主要发现

• 通过Ar + H2微波等离子体处理，在任意厚度和面积上成功形成1T相，实现了可扩展的合成。
• 1T相在所有温度下（4 K至300 K）均表现出欧姆电流-电压特性，证实了其金属行为。
• 1T-MoS2的面电阻显著低于2H-MoS2，数值范围约为~1 kΩ/sq。
• 1T相的载流子浓度比2H-MoS2高出几个数量级，表明具有高自由载流子密度。
• 1T相的电阻在4 K至300 K范围内几乎不随温度变化，排除了跳跃或激活输运机制的可能性。
• 1T相在环境条件下保持稳定超过数周，并在高达300 °C的温度下仍保持结构完整性。