Crescita di film sottile di MoS2 su vasta area mediante solforazione diretta

Mar 18, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8378 (2023) Citare questo articolo

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In questo studio, presentiamo la crescita del film monostrato di MoS2 (disolfuro di molibdeno). Una pellicola di Mo (molibdeno) è stata formata su un substrato di zaffiro mediante evaporazione con fascio elettronico e una pellicola triangolare di MoS2 è stata fatta crescere mediante solforazione diretta. Innanzitutto, la crescita di MoS2 è stata osservata al microscopio ottico. Il numero di strati di MoS2 è stato analizzato mediante spettro Raman, microscopio a forza atomica (AFM) e misurazione della spettroscopia di fotoluminescenza (PL). Diverse regioni del substrato di zaffiro hanno diverse condizioni di crescita del MoS2. La crescita di MoS2 viene ottimizzata controllando la quantità e la posizione dei precursori, regolando la temperatura e il tempo di crescita appropriati e stabilendo un'adeguata ventilazione. I risultati sperimentali mostrano la crescita riuscita di un MoS2 a strato singolo di ampia area su un substrato di zaffiro attraverso solforazione diretta in un ambiente adatto. Lo spessore del film di MoS2 determinato mediante misurazione AFM è di circa 0,73 nm. La differenza di picco tra lo spostamento della misurazione Raman di 386 e 405 cm−1 è 19,1 cm−1, e il picco della misurazione PL è di circa 677 nm, che viene convertito in energia di 1,83 eV, che è la dimensione del gap energetico diretto del film sottile di MoS2. I risultati verificano la distribuzione del numero di strati cresciuti. Sulla base dell'osservazione delle immagini al microscopio ottico (OM), il MoS2 cresce continuamente da un singolo strato di grani triangolari monocristallini distribuiti in modo discreto in una pellicola di MoS2 ad ampia area a strato singolo. Questo lavoro fornisce un riferimento per la crescita del MoS2 in una vasta area. Ci aspettiamo di applicare questa struttura a varie eterogiunzioni, sensori, celle solari e transistor a film sottile.

Il materiale stratificato bidimensionale MoS2 con strati atomicamente spessi è uno dei dichalcogenuri di metalli di transizione (TMD) più comuni1,2,3,4; ha un gap energetico indiretto di 1,2 eV nel semiconduttore MoS2 sfuso e un gap energetico diretto di 1,8 eV nel monostrato MoS25,6,7,8,9. I TMD a strato singolo hanno un eccellente rapporto di commutazione di corrente (rapporto corrente on/off) nei transistor ad effetto di campo grazie al loro gap energetico diretto10,11. Questi vantaggi possono essere posseduti solo da materiali con spessore atomico12. Il MoS2 è una struttura stratificata che ha buone proprietà lubrificanti, resistenza alla pressione e resistenza all'usura. Viene utilizzato principalmente nei lubrificanti solidi, nonché in condizioni di corrosione ad alta velocità, gravosa, ad alta temperatura e chimica13,14,15,16,17. Questo materiale ha molte potenziali applicazioni, come transistor ad effetto di campo, dispositivi elettronici, diodi emettitori di luce, sensori e così via, grazie alle sue eccellenti proprietà optoelettroniche11,18,19,20,21,22,23,24,25 . Negli ultimi anni si è scoperto che il MoS2 ha proprietà di semiconduttore e può esistere sotto forma di un singolo strato o di pochi strati26. Pertanto, i materiali bidimensionali sono ampiamente discussi e studiati dagli scienziati. Molti metodi, tra cui l'esfoliazione meccanica12,27,28,29,30, il tiomolibdato di ammonio decomposto termicamente31,32,33,34, la solforazione di Mo/MoO335 e la deposizione chimica in fase vapore (CVD)36,37,38,39,40,41 ,42, può essere utilizzato per sintetizzare film continui di MoS2. Questi metodi sono in grado di produrre molti strati di MoS2 di buona qualità, tuttavia, ottenere film sottili di MoS2 di ampia area è impegnativo. Il motivo è che il MoS2 tende a trasformarsi in strutture di nanoparticelle e nanotubi, portando a una produzione inefficiente in sintesi omogenea e a film sottili di MoS2 di ampia area, rendendo difficile l’implementazione della produzione per dispositivi elettronici. Pertanto, la sintesi di film sottili di MoS2 di ampia area ha attirato molta attenzione da parte della ricerca.

Il metodo principale di questo studio è la solforazione diretta utilizzando molibdeno/ossido di molibdeno, proposta anche da Lin et al.35 nel 2012. Il processo principale consiste nell'eseguire una reazione di solforazione diretta su un substrato rivestito con ossido di molibdeno per ottenere un film sottile di MoS2. Il triossido di molibdeno (MoO3) di circa 3,6 nm viene placcato su un substrato di zaffiro e fatto crescere attraverso due fasi di riscaldamento. Nella prima fase, il tempo di riscaldamento è di un'ora. Il campione viene posizionato in un tubo del forno a 500 °C e fatto passare attraverso un gas misto Ar/H2 (Ar:H2 = 4:1) sotto una pressione controllata di 1 Torr per convertire MoO3 in MoS2. L'equazione di reazione è la seguente: