高結晶單層過渡金屬硫屬化物薄膜用於晶圓級電子產品

利用液相前驅體的化學氣相沉積（CVD）已成為製備均勻大面積過渡金屬二硫屬化物（TMD）薄膜的一種可行技術。然而，液相前驅體輔助生長的薄膜晶粒較小且存在未反應的過渡金屬前驅體殘留物，導致製備的TMD質量較低。此外，合成具有大面積單層TMD薄膜相當具有挑戰性。
近日，韓國成均館大學Joohoon Kang教授及韓國國立蔚山科學技術院Hyesung Park教授團隊通過促進劑輔助液相CVD工藝，提出了一種簡便、通用的CVD方法，使高質量單層TMD薄膜的生長成為可能。該研究成果以“High-Crystalline Monolayer Transition Metal Dichalcogenides Films for Wafer-Scale Electronics”為題發表在著名期刊ACS NANO上。

將過渡金屬氧化銨和鹼金屬鹵化物在液相中均勻混合併均勻沉積在襯底上，在溫和的退火條件下生成反應活性較高的揮發性過渡金屬鹵化物。鹼金屬有效地降低了TMDs生長的硫化能壘。基於這些協同效應，利用這種促進劑輔助液相CVD法可製備大面積高質量單層TMD薄膜。

圖1.不同濃度碘化鉀合成MoSe2的光譜表徵及原子結構分析。(a，b)不同碘化鉀濃度下合成的MoSe2的拉曼光譜和PL光譜。(c)MoSe2-P0和MoSe2-P20的拉曼和PL光譜成像。
研究者利用WITec多功能成像系統進行了拉曼光譜和PL光譜和成像，分析了不同碘化鉀濃度下合成的MoSe2，結果表明，20mM的碘化鉀濃度下，可以獲得高質量單層二硒化鉬（MoSe2 ）薄膜。
此外，研究者利用這種促進劑輔助液相CVD法在藍寶石襯底上合成了3厘米×3厘米的大尺寸高質量單層MoSe2薄膜。研究者通過拉曼和PL光譜分析確認了樣品的均勻性。

圖2. 大規模合成單層MoSe2薄膜。(a)在藍寶石襯底上合成的3厘米×3厘米均勻大面積MoSe2薄膜和(b)轉移到2英寸上矽O2/Si晶片光學照片。在(A)中標記的20個不同區域獲得的大面積MoSe2薄膜的OM圖像和(d，e)拉曼和PL光譜(標度條：20μm)。(f)(d)中從拉曼光譜中收集到的A1g峰位和相應的半峰寬值)。從(E)中的PL光譜中收集到的PL峰位置和相應的半峰寬值)。

研究人員利用所合成的MoSe2薄膜製作了背柵場效應晶體管（FET）以研究其電輸運性能，結果顯示，FET具有高達2.5 cm2 V−1 s−1的電子遷移率，電流開關比為105 ，是目前報導的基於液相前驅體的CVD生長的TMDs的最高值之一。此外，研究人員展示了所提出的促進劑輔助液相CVD法在TMD家族具有普適性。研究者成功用此方法在藍寶石襯底上合成了均勻，包括二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）和二硒化鎢（WSe2）薄膜。

圖3. (a−c)在有划痕的藍寶石襯底上合成的MoS2、WS2和WSe2薄膜的OM圖像。(d−f)CVD生長的單層MoS2、WS2和WSe2薄膜的拉曼和PL成像。(g，h)三種不同單層TMD膜的拉曼光譜和PL相應TMD的特徵峰。

這種CVD方法為均勻大規模合成高質量的單層TMDs薄膜提供了一種新思路，讓二維材料在電子學和光電子學中的實際應用成為了可能。
轉載：WITec科學儀器