Crescimento de película fina de MoS2 de grande área por sulfurização direta

Jun 03, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8378 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Neste estudo, apresentamos o crescimento do filme monocamada MoS2 (disulfeto de molibdênio). O filme de Mo (molibdênio) foi formado em um substrato de safira através da evaporação por feixe eletrônico, e o filme triangular de MoS2 foi crescido por sulfurização direta. Primeiro, o crescimento de MoS2 foi observado em um microscópio óptico. O número de camadas de MoS2 foi analisado por espectro Raman, microscópio de força atômica (AFM) e espectroscopia de fotoluminescência (PL). Diferentes regiões de substrato de safira têm diferentes condições de crescimento de MoS2. O crescimento do MoS2 é otimizado controlando a quantidade e a localização dos precursores, ajustando a temperatura e o tempo apropriados de crescimento e estabelecendo uma ventilação adequada. Os resultados experimentais mostram o crescimento bem-sucedido de um MoS2 de camada única de grande área em um substrato de safira por meio de sulfuração direta em um ambiente adequado. A espessura do filme MoS2 determinada pela medição AFM é de cerca de 0,73 nm. A diferença de pico entre a mudança de medição Raman de 386 e 405 cm-1 é de 19,1 cm-1, e o pico da medição de PL é de cerca de 677 nm, que é convertido em energia de 1,83 eV, que é o tamanho da lacuna de energia direta do filme fino de MoS2. Os resultados verificam a distribuição do número de camadas cultivadas. Com base na observação das imagens do microscópio óptico (OM), o MoS2 cresce continuamente a partir de uma única camada de grãos de cristal único triangulares discretamente distribuídos em um filme de MoS2 de grande área de camada única. Este trabalho fornece uma referência para o cultivo de MoS2 em uma grande área. Esperamos aplicar essa estrutura a várias heterojunções, sensores, células solares e transistores de película fina.

MoS2 material em camadas bidimensionais com camadas atomicamente espessas é um dos dicalcogenetos de metais de transição (TMDs)1,2,3,4 mais comuns; tem uma lacuna de energia indireta de 1,2 eV no semicondutor MoS2 em massa e uma lacuna de energia direta de 1,8 eV na monocamada MoS25,6,7,8,9. Os TMDs de camada única têm uma excelente relação de comutação de corrente (relação de corrente on/off) em transistores de efeito de campo devido ao seu gap de energia direta10,11. Essas vantagens só podem ser possuídas por materiais com espessura atômica12. MoS2 é uma estrutura em camadas, que possui boa lubricidade, resistência à pressão e resistência ao desgaste. É usado principalmente em lubrificantes sólidos, bem como em condições de alta velocidade, serviço pesado, alta temperatura e corrosão química13,14,15,16,17. Este material tem muitas aplicações potenciais, como em transistores de efeito de campo, dispositivos eletrônicos, diodos emissores de luz, sensores e assim por diante, devido às suas excelentes propriedades optoeletrônicas11,18,19,20,21,22,23,24,25 . Nos últimos anos, descobriu-se que o MoS2 possui propriedades semicondutoras e pode existir na forma de uma única camada ou de algumas camadas26. Portanto, os materiais bidimensionais são amplamente discutidos e estudados pelos cientistas. Muitos métodos, incluindo esfoliação mecânica12,27,28,29,30, tiomolibdato de amônio decomposto termicamente31,32,33,34, sulfurização de Mo/MoO335 e deposição química de vapor (CVD)36,37,38,39,40,41 ,42, pode ser usado para sintetizar filmes contínuos de MoS2. Esses métodos são capazes de produzir muitas camadas de MoS2 de boa qualidade, no entanto, obter filmes finos de MoS2 de grande área é um desafio. O motivo é que o MoS2 tende a se transformar em estruturas de nanopartículas e nanotubos, levando à produção ineficiente em síntese homogênea e filmes finos de MoS2 de grande área, tornando desafiador implantar a produção de dispositivos eletrônicos. Portanto, sintetizar filmes finos de MoS2 de grande área atraiu muita atenção da pesquisa.

O método de crescimento deste estudo é a sulfetação direta usando molibdênio/óxido de molibdênio, também proposto por Lin et al.35 em 2012. O processo principal é realizar reação de sulfurização direta em um substrato revestido com óxido de molibdênio para obter um filme fino de MoS2. O trióxido de molibdênio (MoO3) de cerca de 3,6 nm é depositado em um substrato de safira e cultivado em dois estágios de aquecimento. Na primeira etapa, o tempo de aquecimento é de uma hora. A amostra é colocada em um tubo de forno a 500 °C e passada através de gás misto Ar/H2 (Ar:H2 = 4:1) sob pressão controlada de 1 Torr para converter MoO3 em MoS2. A equação da reação é a seguinte: