[论文解读] Halide-Assisted Atmospheric Pressure Growth of Large WSe2 and WS2 Monolayer Crystals

Shisheng Li, Shunfeng Wang+7 more|QUT ePrints (Queensland University of Technology)|Sep 2, 2015

2D Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本研究展示了一种在常压和中等温度（700–850 °C）下，利用碱金属卤化物（如NaCl、KBr）作为生长促进剂，通过大气压化学气相沉积（CVD）外延生长大面积单层WSe2和WS2晶体的方法。卤化物通过形成挥发性钨氧卤化物物种，实现高效的气相输运，从而获得高质量、非故意掺杂的二维半导体，其场效应晶体管性能优异，包括高达10⁷的开/关比和约14–26 cm² V⁻¹ s⁻¹的电子迁移率。

ABSTRACT

Chemical vapor deposition (CVD) of two-dimensional (2D) tungsten dichalcogenide crystals requires steady flow of tungsten source in the vapor phase. This often requires high temperature and low pressure due to the high sublimation point of tungsten oxide precursors. We demonstrate atmospheric pressure CVD of WSe2 and WS2 monolayers at moderate temperatures (700 ~ 850 oC) using alkali metal halides (MX where M= Na or K and X=Cl, Br or I) as the growth promoters. We attribute the facilitated growth to the formation of volatile tungsten oxyhalide species during growth, which leads to efficient delivery of the precursor to the growth substrates. The monolayer crystals were found to be free of unintentional doping with alkali metal and halogen atoms. Good field-effect transistor (FET) performances with high current on/off ratio ~10 7, hole and electron mobilities up to 102 and 26 cm2 V 1 s-1 for WSe2 and electron mobility of ~14 cm2 V-1 s-1 for WS2 devices were achieved.

研究动机与目标

• 开发一种可在常压下规模化生长大面积单层WSe2和WS2晶体的方法。
• 克服传统CVD方法的局限性，后者因三氧化钨前驱体的高升华点而需要高温和低压条件。
• 通过使用碱金属卤化物作为促进剂，形成挥发性钨氧卤化物物种，实现钨的高效气相输运。
• 在不引入碱金属或卤素元素非故意掺杂的前提下，获得高质量的二维半导体。
• 展示基于所生长单层材料的高性能场效应晶体管。

提出的方法

• 使用碱金属卤化物（MX，其中M = Na或K，X = Cl、Br或I）作为添加剂，在常压CVD中促进挥发性钨氧卤化物物种的形成。
• 以三氧化钨（WO₃）作为钨源，硫属元素源（Se或S）通过热蒸发引入。
• 在700–850 °C的常压条件下进行生长，实现钨物种的稳定气相输运。
• 挥发性钨氧卤化物中间体提高了前驱体向生长基底的输送效率，促进了单层晶体的成核与生长。
• 通过拉曼光谱、光学显微镜和原子力显微镜对所得WSe2和WS2单层进行表征，以确认其厚度和结晶质量。
• 制备场效应晶体管（FET）器件以评估其电学性能，包括开/关比和载流子迁移率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过改进的CVD工艺在常压下生长出大面积单层WSe2和WS2晶体？
• RQ2 碱金属卤化物如何增强CVD生长二维二硫属化物过程中钨前驱体的气相输运？
• RQ3 挥发性钨氧卤化物物种在实现中等温度和常压下生长过程中起到何种作用？
• RQ4 所获得的单层晶体在多大程度上避免了碱金属或卤素元素的非故意掺杂？
• RQ5 基于卤化物辅助生长的WSe2和WS2单层所制备的FET器件的电荷输运特性如何？

主要发现

• 成功在常压和700 °C至850 °C的温度范围内，利用碱金属卤化物作为促进剂，生长出大面积单层WSe2和WS2晶体。
• 挥发性钨氧卤化物物种的形成显著提高了钨前驱体的输运效率，使在常压环境下实现生长成为可能。
• 通过光谱分析确认，所得单层未检测到碱金属或卤素元素的非故意掺杂。
• WSe2 FET器件表现出高达10⁷的电流开/关比，空穴和电子迁移率分别为102和26 cm² V⁻¹ s⁻¹。
• WS2 FET器件表现出约14 cm² V⁻¹ s⁻¹的电子迁移率，表明其具有高质量的半导体行为。
• 该方法可在实际生长条件下实现高效率、低成本的大规模制备高性能二维半导体器件。