23 Nov 2023
2DM编辑优选:具有优异光电性能的晶圆级二硫化钨WS2的可控制备
本篇研究来自湘潭大学郝国林课题组。本文主要基于基底工程与空间限域策略,采用化学气相沉积法(CVD)实现了晶圆级二硫化钨(WS2)纳米薄膜的可控制备。研究表明,WS2的成核密度依赖于蓝宝石衬底的退火条件。WS2纳米薄膜的厚度可以通过空间限域的高度进行有效的调控。此方法不仅适用于晶圆级WS2纳米薄膜的可控制备,可以推广至其他过渡金属硫属化合物(TMDs)晶圆级纳米薄膜的精准合成。此外,基于单层WS2薄膜的光电探测器也展现出优异的光电性能(0.355 A W-1的响应度和1.48×1011 Jones的探测率)。 文章介绍 Controllable growth of wafer-scale two-dimensional WS2 with outstanding optoelectronic properties Shiwei Zhang, Yulong Hao, Fenglin Gao, Xiongqing Wu, Shijie Hao, Mengchun Qiu, Xiaoming Zheng, Yuehua Wei, Guolin Hao (郝国林) 通讯作者: 郝国林,湘潭大学 研究背景: 二维TMDs具有可调的带隙、高载流子迁移率、强光物质相互作用和较大的激子结合能,被认为是未来高性能功能器件的一类优秀候选材料。研究表明WS2可以应用于忆阻器和相位调制器,使其在神经形态计算和光通信领域显示出巨大的潜力。基于WS2的场效应晶体管具有高达214cm2 V−1 s−1的室温迁移率,有望为二维半导体基集成电路的发展提供一定的实验支撑。近年来,晶圆级TMDs材料的可控制备已取得了一些进展,由于二维材料自限制生长的特性,层数可控二维TMDs的精准合成仍然具有极大的挑战。亟待开发一种简单有效的方法实现晶圆级TMDs二维纳米薄膜的精准制备。 研究内容: 图1:晶圆级2D WS2纳米结构的合成示意图 基于前驱体设计策略通过对钨金属箔进行氧化获得了均匀的三氧化钨箔片,并将其垂直放置在蓝宝石衬底上以形成高度可调的限域空间,相应的合成示意图如图1所示。 (图2所示)我们系统的研究了不同气体氛围退火条件下的蓝宝石基底对WS2生长的影响,并证明了在不同气体氛围下退火蓝宝石表面显示出的终端原子是不同的。在氢气(H2)氛围退火下,蓝宝石表面显示出铝终端,在氧气(O2)氛围退火下,蓝宝石表面显示出氧终端。不同的终端原子对WS2的成核密度起着关键作用。 图2:(a)-(c) 分别在原始、H2退火和O2退火的蓝宝石衬底上生长的WS2的AFM图像。(d)-(f) 分别为原始、H2退火和O2退火蓝宝石衬底的AFM图像。(g)-(i) 相应的O 1s核心能级的XPS结合能谱。 (图3所示)当空间限域高度分别设定为1.4、2和2.4mm时,可以制备三层、双层和单层WS2薄膜。在此基础上,将空间限域高度降低至0.2 mm,进一步实现了多层WS2薄膜的可控生长。系统的研究表明空间限域策略可以实现单层至多层不同厚度的晶圆级WS2纳米薄膜的精准合成。 图3:(a)-(f) 合成的不同厚度WS2纳米薄膜的AFM图像。(g) 从左至右,分别为单层、双层、三层和多层WS2纳米薄膜的数码照片。(h) 单层WS2上15个随机点的拉曼光谱。 (图4所示)我们的合成策略还可扩展至其他晶圆级过渡金属硫属化合物纳米薄膜的制备,如二硒化钨(WSe2)。 图4:(a)-(d)...