직접 황화에 의한 대면적 MoS2 박막 성장

Mar 18, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8378(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구에서는 단층 MoS2(이황화 몰리브덴) 필름의 성장을 제시합니다. 사파이어 기판 위에 전자빔 증착을 통해 Mo(몰리브덴) 막을 형성하고, 직접 황화법으로 삼각형의 MoS2 막을 성장시켰다. 먼저, MoS2의 성장을 광학현미경으로 관찰하였다. MoS2 층의 수는 라만 스펙트럼, 원자력 현미경(AFM) 및 광발광 분광학(PL) 측정을 통해 분석되었습니다. 다양한 사파이어 기판 영역은 MoS2의 성장 조건이 다릅니다. MoS2의 성장은 전구체의 양과 위치를 조절하고, 적절한 성장 온도와 시간을 조절하며, 적절한 환기를 통해 최적화됩니다. 실험 결과는 적절한 환경에서 직접 황화를 통해 사파이어 기판에서 대면적 단일층 MoS2의 성공적인 성장을 보여줍니다. AFM 측정으로 결정된 MoS2 필름의 두께는 약 0.73 nm입니다. 386과 405cm−1의 라만 측정 이동 사이의 피크 차이는 19.1cm−1이고, PL 측정의 피크는 약 677nm로 이는 직접 에너지 갭의 크기인 1.83eV의 에너지로 변환됩니다. MoS2박막의 모습입니다. 결과는 성장된 층 수의 분포를 검증합니다. 광학 현미경(OM) 이미지의 관찰에 기초하여, MoS2는 불연속적으로 분포된 삼각형 단결정 입자의 단일 층에서 단일 층 대면적 MoS2 필름으로 연속적으로 성장합니다. 이 연구는 넓은 지역에서 MoS2를 성장시키기 위한 참고 자료를 제공합니다. 이 구조를 다양한 이종접합, 센서, 태양전지, 박막 트랜지스터 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

원자적으로 두꺼운 층을 가진 2차원 적층 물질 MoS2는 가장 일반적인 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)1,2,3,4 중 하나입니다. 벌크 MoS2 반도체에서는 1.2eV의 간접 에너지 갭을 가지며 단층 MoS25,6,7,8,9에서는 1.8eV의 직접 에너지 갭을 갖습니다. 단일층 TMD는 직접적인 에너지 갭으로 인해 전계 효과 트랜지스터에서 우수한 전류 스위치 비율(온/오프 전류 비율)을 갖습니다. 이러한 장점은 원자 두께의 재료에서만 가질 수 있습니다12. MoS2는 층상구조로 윤활성, 내압성, 내마모성이 우수합니다. 주로 고체 윤활제뿐만 아니라 고속, 고강도, 고온 및 화학적 부식 조건에서 사용됩니다. 이 재료는 우수한 광전자 특성으로 인해 전계 효과 트랜지스터, 전자 장치, 발광 다이오드, 센서 등과 같은 많은 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다. . 최근 몇 년 동안 MoS2는 반도체 특성을 가지며 단일 층 또는 몇 개의 층 형태로 존재할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다26. 따라서 2차원 물질은 과학자들에 의해 널리 논의되고 연구되고 있습니다. 기계적 박리12,27,28,29,30, 열 분해 암모늄 티오몰리브덴산염31,32,33,34, Mo/MoO335 황화 및 화학 기상 증착(CVD)36,37,38,39,40,41을 포함한 다양한 방법 ,42는 연속 MoS2 필름을 합성하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 방법은 많은 양질의 MoS2 층을 생산할 수 있지만 대면적 MoS2 박막을 달성하는 것은 어렵습니다. 그 이유는 MoS2가 나노입자 및 나노튜브 구조로 변형되는 경향이 있어 균질 합성 및 대면적 MoS2 박막에서 비효율적인 생산으로 이어져 전자 장치용 생산을 배치하기가 어렵기 때문입니다. 따라서 대면적 MoS2 박막을 합성하는 것이 많은 연구 관심을 끌었습니다.

본 연구의 성장 방법은 Lin 등이 2012년에 제안한 몰리덴/몰리브덴 산화물을 이용한 직접 황화법이다. 주요 공정은 몰리브덴 산화물로 코팅된 기판에 직접 황화 반응을 수행하여 MoS2 박막을 얻는 것이다. 사파이어 기판 위에 약 3.6 nm 크기의 삼산화 몰리브덴(MoO3)을 도금하고 두 단계의 가열 과정을 거쳐 성장시킨다. 첫 번째 단계에서는 가열 시간이 1시간입니다. 샘플을 500°C의 용광로 튜브에 넣고 1 Torr의 제어된 압력 하에서 Ar/H2 혼합 가스(Ar:H2 = 4:1)를 통과시켜 MoO3를 MoS2로 변환합니다. 반응식은 다음과 같다: