[论文解读] Viable route towards large-area two dimensional MoS2 using magnetron sputtering

Hassana Samassekou, Asma Alkabsh+9 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2016

2D Materials and Applications参考文献 18被引用 5

一句话总结

本研究展示了一种在六方氮化硼（h-BN）缓冲层的硅衬底上通过磁控溅射法大规模制备少层二硫化钼（MoS2）的可行路线。该方法可获得高质量、均匀的MoS2薄膜，其界面和体相性能优异，经结构、光学和电学表征验证，表现出增强的电导率和与其它大面积技术相当的光响应性能。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于光电和电子器件的可扩展、大面积合成少层MoS2的方法。
• 通过在h-BN缓冲衬底上进行受控溅射工艺，改善MoS2薄膜的界面和体相性能。
• 证明磁控溅射可制备出性能与其它大面积技术相当的MoS2薄膜。
• 将溅射MoS2的结构、光学和电学性能与第一性原理计算进行关联。
• 建立一种可靠、可重复的过渡金属二硫属化物（TMDs）物理气相沉积生长策略。

提出的方法

• 采用磁控溅射法在预生长的六方氮化硼（h-BN）缓冲层（沉积于硅衬底上）上沉积MoS2薄膜。
• 利用X射线反射率、X射线衍射、椭偏仪和拉曼光谱表征薄膜厚度、结晶性和层数。
• 进行层特定的光学常数建模，并与第一性原理计算对比，以验证薄膜质量。
• 通过电导率和光电导率测量评估电子输运性能和光电响应。
• 优化生长工艺以最小化缺陷，确保均匀的少层MoS2形成。
• 开发了一种简单、可扩展的沉积策略，以同时提升MoS2的界面和体相性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁控溅射能否制备出大面积、少层MoS2薄膜，且具备高结构和电子质量？
• RQ2 溅射MoS2的界面和体相性能与其它大面积合成方法相比如何？
• RQ3 测量得到的溅射MoS2的光学和电学性能在多大程度上与第一性原理预测一致？
• RQ4 溅射MoS2薄膜中层数与电导率之间存在何种关系？
• RQ5 溅射MoS2薄膜能否展现出与其它大面积TMD薄膜相当的光电响应性能？

主要发现

• 通过磁控溅射法在h-BN缓冲Si衬底上成功生长出少层MoS2薄膜，其厚度和层数经X射线反射率和拉曼光谱确认。
• 椭偏仪测得的光学常数与第一性原理计算结果高度一致，验证了薄膜质量及层数依赖的特性。
• 电导率测量显示，少层MoS2薄膜的电导率高于其多层对应物。
• 光电导率测量表明，溅射MoS2薄膜表现出强烈的光电响应，与其它大面积方法制备的MoS2薄膜相当。
• 溅射工艺实现了均匀、大面积的MoS2薄膜，具有优异的界面和体相性能，为可扩展TMD器件集成提供了可行路径。
• 本研究证实，磁控溅射是一种可扩展、可控且高性能的方法，适用于实际应用中大面积二维MoS2的制备。