Croissance de couches minces de MoS2 sur une grande surface par sulfuration directe

Mar 18, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8378 (2023) Citer cet article

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Dans cette étude, nous présentons la croissance d’un film monocouche de MoS2 (disulfure de molybdène). Un film de Mo (molybdène) a été formé sur un substrat de saphir par évaporation par faisceau électronique, et un film triangulaire de MoS2 a été développé par sulfuration directe. Tout d’abord, la croissance de MoS2 a été observée au microscope optique. Le nombre de couches de MoS2 a été analysé par mesure du spectre Raman, du microscope à force atomique (AFM) et de la spectroscopie de photoluminescence (PL). Différentes régions de substrat saphir ont des conditions de croissance différentes de MoS2. La croissance du MoS2 est optimisée en contrôlant la quantité et l’emplacement des précurseurs, en ajustant la température et la durée de croissance appropriées et en établissant une ventilation adéquate. Les résultats expérimentaux montrent la croissance réussie d'un MoS2 monocouche de grande surface sur un substrat de saphir par sulfuration directe dans un environnement approprié. L'épaisseur du film MoS2 déterminée par mesure AFM est d'environ 0,73 nm. La différence maximale entre le décalage de mesure Raman de 386 et 405 cm−1 est de 19,1 cm−1, et le pic de mesure PL est d'environ 677 nm, qui est converti en énergie de 1,83 eV, ce qui correspond à la taille de l'écart énergétique direct. du film mince de MoS2. Les résultats vérifient la répartition du nombre de couches cultivées. Sur la base de l'observation des images au microscope optique (OM), MoS2 se développe continuellement à partir d'une seule couche de grains monocristallins triangulaires discrètement distribués en un film MoS2 monocouche de grande surface. Ce travail fournit une référence pour la culture de MoS2 sur une vaste zone. Nous prévoyons d'appliquer cette structure à diverses hétérojonctions, capteurs, cellules solaires et transistors à couches minces.

Le matériau en couches bidimensionnel MoS2 avec des couches atomiquement épaisses est l'un des dichalcogénures de métaux de transition (TMD) les plus courants1,2,3,4 ; il présente un écart énergétique indirect de 1,2 eV dans le semi-conducteur MoS2 en vrac et un écart énergétique direct de 1,8 eV dans la monocouche MoS25,6,7,8,9. Les TMD monocouches présentent un excellent rapport de commutation de courant (rapport de courant marche/arrêt) dans les transistors à effet de champ en raison de leur espace énergétique direct10,11. Ces avantages ne peuvent être possédés que par des matériaux d’épaisseur atomique12. MoS2 est une structure en couches qui présente un bon pouvoir lubrifiant, une bonne résistance à la pression et une bonne résistance à l'usure. Il est principalement utilisé dans les lubrifiants solides ainsi que dans des conditions de corrosion chimique à grande vitesse, à usage intensif, à haute température13,14,15,16,17. Ce matériau a de nombreuses applications potentielles, telles que les transistors à effet de champ, les appareils électroniques, les diodes électroluminescentes, les capteurs, etc., en raison de ses excellentes propriétés optoélectroniques11,18,19,20,21,22,23,24,25. . Ces dernières années, il a été découvert que le MoS2 possède des propriétés semi-conductrices et peut exister sous la forme d’une seule couche ou de plusieurs couches26. Par conséquent, les matériaux bidimensionnels sont largement discutés et étudiés par les scientifiques. De nombreuses méthodes, notamment l'exfoliation mécanique12,27,28,29,30, le thiomolybdate d'ammonium thermiquement décomposé31,32,33,34, la sulfuration de Mo/MoO335 et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD)36,37,38,39,40,41. ,42, peut être utilisé pour synthétiser des films continus de MoS2. Ces méthodes sont capables de produire de nombreuses couches de MoS2 de bonne qualité, mais il est difficile d’obtenir des films minces de MoS2 sur une grande surface. La raison en est que le MoS2 a tendance à se transformer en structures de nanoparticules et de nanotubes, ce qui conduit à une production inefficace de synthèse homogène et de films minces de MoS2 de grande surface, ce qui rend difficile le déploiement de la production pour les appareils électroniques. Par conséquent, la synthèse de films minces de MoS2 de grande surface a attiré de nombreux chercheurs.

La méthode de culture de cette étude est la sulfuration directe utilisant du molydène/oxyde de molybdène, également proposée par Lin et al.35 en 2012. Le processus principal consiste à effectuer une réaction de sulfuration directe sur un substrat recouvert d'oxyde de molybdène pour obtenir un film mince de MoS2. Du trioxyde de molybdène (MoO3) d'environ 3,6 nm est plaqué sur un substrat en saphir et cultivé via deux étapes de chauffage. Dans la première étape, la durée de chauffage est d'une heure. L'échantillon est placé dans un tube de four à 500 °C et passé dans un gaz mixte Ar/H2 (Ar:H2 = 4:1) sous une pression contrôlée de 1 Torr pour convertir MoO3 en MoS2. L'équation de la réaction est la suivante :