[논문 리뷰] Viable route towards large-area two dimensional MoS2 using magnetron sputtering

Hassana Samassekou, Asma Alkabsh외 9명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 24.

2D Materials and Applications참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 흑연질 질화갈륨(이황화몰리브데넘, MoS₂)을 사용하여 두께가 몇 층인 몇 층의 몰리브데넘 디 sulfide(MoS₂)를 제작하는 데 있어 대면적, 가용성 있는 제조 방법을 입증한다. 이 방법은 고질적이고 균일한 MoS₂ 필름을 얻을 수 있으며, 구조적, 광학적, 전기적 특성 분석을 통해 고착면 및 부피 특성이 뛰어나다는 것이 확인되었다. 이는 다른 대면적 기술들과 비교해도 뛰어난 전도성과 광응답성을 보여준다.

ABSTRACT

Structural, interfacial, optical, and transport properties of large-area MoS2 ultra-thin films on BN-buffered silicon substrates fabricated using magnetron sputtering are investigated. A relatively simple growth strategy is demonstrated here that simultaneously promotes superior interfacial and bulk MoS2 properties. Few layers of MoS2 are established using X-ray reflectivity, diffraction, ellipsometry, and Raman spectroscopy measurements. Layer-specific modeling of optical constants shows very good agreement with first-principles calculations. Conductivity measurements reveal that few-layer MoS2 films are more conducting than many-layer films. Photo-conductivity measurements reveal that the sputter deposited MoS2 films compare favorably with other large-area methods. Our work illustrates that sputtering is a viable route for large-area device applications using transition metal dichalcogenides.

연구 동기 및 목표

• 옵트오일렉트로닉스 및 전자 장치에 적합한 대면적, 확장 가능한 소결 방법을 개발하는 것.
• h-BN-버퍼링된 기판 상에서 제어된 스퍼터링 공정을 통해 MoS₂ 필름의 고착면 및 부피 특성을 향상시키는 것.
• 마그네트론 스퍼터링이 다른 대면적 기술들과 비교해도 성능이 유사한 MoS₂ 필름을 제조할 수 있음을 입증하는 것.
• 스퍼터링된 MoS₂의 구조적, 광학적, 전기적 특성을 제1원리 계산과 연관짓는 것.
• 물리적 증착을 이용한 전이 금속 디칼코겐화합물(TMDs)의 신뢰할 수 있고 재현 가능한 성장 전략을 수립하는 것.

제안 방법

• 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 사전에 형성된 흑연질 질화갈륨(h-BN) 버퍼층이 있는 실리콘 기판 상에 MoS₂ 박막을 증착하였다.
• 필름 두께, 결정성 및 층 수를 측정하기 위해 X선 반사도, X선 회절, 굴절도 측정 및 라만 분석을 실시하였다.
• 층 수에 따라 특성화된 광학 상수의 모델링을 수행하고, 제1원리 계산과 비교하여 필름 품질을 검증하였다.
• 전자 이동성 및 광전도 특성을 평가하기 위해 전도도 및 광전도도 측정을 실시하였다.
• 결함 최소화와 균일한 몇 층의 MoS₂ 형성 확보를 위해 성장 공정을 최적화하였다.
• 고착면 및 부피 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 단순하고 확장 가능한 증착 전략을 개발하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마그네트론 스퍼터링은 고구조적 및 고전기적 품질을 지닌 대면적, 몇 층의 MoS₂ 필름을 제조할 수 있는가?
• RQ2 스퍼터링된 MoS₂의 고착면 및 부피 특성은 다른 대면적 합성 방법에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ3 스퍼터링된 MoS₂의 측정된 광학적 및 전기적 특성은 제1원리 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 스퍼터링된 MoS₂ 필름에서 층 수와 전기 전도도 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ5 스퍼터링된 MoS₂ 필름은 다른 대면적 TMD 필름들과 경쟁 가능한 광응답 성능을 나타낼 수 있는가?

주요 결과

• X선 반사도 및 라만 분석을 통해 두께와 층 수가 확인된 몇 층의 MoS₂ 필름이 h-BN-버퍼링된 Si 기판 상에서 마그네트론 스퍼터링을 통해 성공적으로 성장되었다.
• 굴절도에서 유도된 광학 상수가 제1원리 계산과 뛰어난 일치를 보이며, 필름 품질과 층 수에 따라 달라지는 특성을 검증하였다.
• 전도도 측정 결과, 몇 층의 MoS₂ 필름이 다수 층의 필름보다 높은 전도성을 보였다.
• 광전도도 측정 결과, 스퍼터링된 MoS₂ 필름이 다른 대면적 방법으로 제조된 MoS₂ 필름과 유사한 강력한 옵티오일렉트로닉 응답을 보였다.
• 스퍼터링 공정을 통해 고착면 및 부피 특성이 뛰어난 균일한 대면적 MoS₂ 필름을 형성할 수 있었으며, 이는 확장 가능한 TMD 장치 통합을 위한 실현 가능한 길이 되었다.
• 본 연구는 마그네트론 스퍼터링이 실용적 응용을 위한 대면적 2차원 MoS₂를 생산하는 데 있어 확장 가능하고 제어 가능하며 고성능인 방법임을 확인하였다.