文摘

直接均匀的圆片规模增长的二维(2 d)分层材料使用一个通用的方法是至关重要的,利用2 d层到实际的应用程序中。在这里,我们报告的结构和运输大型few-layer金属氧化物半导体的性质₂back-gated场效应晶体管(fet),制造使用传统的脉冲激光沉积(骑士)技术。拉曼光谱和透射电子显微镜结果证实,得到金属氧化物半导体₂层SiO₂/ Si衬底多层膜。场效应晶体管的设备有一个相对高的开/关5×10的比例²和移动0.124厘米²V⁻¹年代⁻¹。我们的研究结果表明,骑士将会是一个合适的途径发展二维层为未来工业设备应用程序。

1。介绍

自动分层的二维(2 d)材料是有趣的电子和光电应用,由于其独特的电子,光学,机械性能(1- - - - - -4]。在这些二维层状材料,钼dichalcogenides(金属氧化物半导体₂),分层S-Mo-S保税的范德华相互作用与莫和S原子保税的共价相互作用强,吸引了广泛的利益由于其相当大的带隙和高载流子迁移率。两个理论估计和实验观测表明间接直接能源能带过渡金属氧化物半导体₂从体积减少到单层,而其隙增加从1.8 ~ 1.2 eV ~ eV (5- - - - - -8]。由于非凡layer-dependent能带行为,金属氧化物半导体₂被认为是一种很有前途的候选人为了克服属于zero-bandgap石墨烯的短缺,为下一代电子应用程序(提供可能的解决方案9]。例如,单层和few-layer金属氧化物半导体₂基于场效应晶体管(fet)已报告,拥有较高的开/关比率超过10³(10- - - - - -12]。单层金属氧化物半导体的迁移率₂场效应晶体管在真空报道到目前为止是8厘米²v⁻¹年代⁻¹(13- - - - - -15),低于理论值(410厘米²v⁻¹年代⁻¹)[15]。的流动性few-layer场效应晶体管在室温下可能达到470厘米²v⁻¹年代⁻¹(16];值是接近理论值(200 ~ 500厘米²v⁻¹年代⁻¹)估计通过声子散射限制(17]。即使工业应用的理想的要求,到目前为止,大多数的作品都聚焦于探索大尺度的方法,高质量的金属氧化物半导体₂薄膜。传统的方法获得金属氧化物半导体₂层包括机械剥离、化学气相沉积(CVD)和骑士(18- - - - - -20.]。然而,它是不方便控制样本的规模大小和厚度使用机械剥离法。成核层在CVD方法很难精确实验条件,导致不均匀的金属氧化物半导体₂层。到目前为止,骑士方法已成功被用于大规模的分层沉积材料,包括石墨烯、黑磷(BP),金属氧化物半导体₂,InSe [21- - - - - -23]。使用骑士的主要优点之一是方便控制层数量的大规模二维材料完全不同的脉冲数字。在这项工作中,我们报告few-layer金属氧化物半导体的结构和传输特性₂back-gated通过骑士制造的场效应晶体管技术。

2。材料和方法

Few-layer金属氧化物半导体₂电影的维度10毫米×10毫米捏造在surface-cleaned SiO₂(300海里)/ p⁺硅晶圆的骑士(KrF 248海里)200 mJ /脉冲激光能量和5赫兹的频率。图1(一)说明了实验装置的骑士制度。一个商业金属氧化物半导体₂颗粒(合肥晶体技术材料有限公司)作为目标。目标和衬底被设定为5厘米的距离。沉积之前,美国商会是疏散到基地~ 1×10的压力⁻⁵Pa避免氧化的金属氧化物半导体₂电影。SiO₂/硅基板温度维持在700°C在增长。目标和衬底都旋转在沉积获得统一的电影。当激光脉冲MoS₂目标,形成等离子体包括原子和离子将达到基质。金属氧化物半导体的厚度₂电影可以控制激光脉冲的数量。这里的脉冲MoS数字增长₂电影将是1200脉冲。原子在金属氧化物半导体价₂用x射线光电子能谱(XPS)。拉曼光谱和透射电子显微镜(TEM)是用来确认MoS的厚度₂电影。构造场效应晶体管结构、射频磁控溅射技术是用于存款Au /钛电极表面的金属氧化物半导体₂层和SiO₂/ Si基质。盟/钛电极的沉积时间2分钟和20年代,分别。捏造的场效应晶体管器件的原理图如图1 (b)。运输和传输测量进行了4200年吉时利半导体特性的系统。所有的测试被执行在300 K的气氛。

3所示。结果与讨论

拉曼光谱是一种常用的技术来估计二维材料的厚度(24]。如图2(一个),两个突出的特征峰是由于金属氧化物半导体的模式₂原子层振动(平面模式:~ 382厘米⁻¹和出平面模式:~ 407厘米⁻¹)。之间的距离和 金属氧化物半导体的厚度成正比吗₂电影,峰展览的红移和蓝移高峰时,金属氧化物半导体₂厚度减少,遵循一个经验公式: 厘米⁻¹(25]。根据公式,金属氧化物半导体的厚度₂层可以推导出:单层~ 18厘米⁻¹,双分子层~ 22.4厘米⁻¹,trilayer ~ 23厘米⁻¹,few-layer ~ 25厘米⁻¹。横断面TEM图像(如图2 (b))展品夏普和定义良好的金属氧化物半导体₂层。7纳米厚的金属氧化物半导体₂SiO层生长₂/硅晶片层间间距~ 0.68海里,这是金属氧化物半导体的接近理论值₂单层厚度(~ 0.65海里)(26]。这些结果与拉曼光谱结果一致,这意味着获得的金属氧化物半导体₂电影(= 25厘米⁻¹在这工作是few-layer示例)。

为了检查缺硫金属氧化物半导体₂电影,XPS分析。如图3,有三个莫3 d的山峰,位于229.18 eV, 232.67 eV和235.97 eV。前两个山峰可以分配给莫3 d_5/2和莫3 d_3/2,分别。他们是关联到密苏里州^{4 +}在金属氧化物半导体₂。第三个核心级峰值是密苏里州的关联^{6 +}3 d_3/2州和拟合曲线图像中的蓝色所示。由于莫的存在^{6 +}在我们样品,应该有职位空缺。一种可能性是S失踪的增长过程中电影。其他可能性是MoO与氧的反应形式₃样品取出后室。MoO的存在₃将金属氧化物半导体的光学和电特性施加影响₂薄膜。

对金属氧化物半导体的电性质进行调查₂电影,back-gated基于few-layer金属氧化物半导体场效应晶体管是捏造的₂电影发展SiO₂/ Si基质。可以看到从图4(一)漏极电流之间的关系()和漏极电压()在不同back-gated电压()研究,back-gated电压为5 V的一步。一个清晰的类型半导体属性是描述与先前的报道是一致的(27]。的类型的金属氧化物半导体₂样品可能是由于杂质或存在间隙原子层间的差距。如图4 (b)断开的泄漏电流()~ 10 nA,开态电流()~ 5μ一个;开/关比约5×10²相比,比例比(~ 10³单层的场效应晶体管(10]。多层金属氧化物半导体的迁移率₂场效应晶体管可以估计基于公式: 和通道长度是0.1毫米,通道宽度是1.5毫米,是8.854×10^-12年F / m,3.9 (17),SiO的厚度吗₂(300海里)在我们的实验中是5 V。的价值可以获得从线性适应图吗4 (b)。场效应晶体管的流动计算是0.124厘米²v⁻¹年代⁻¹,值是类似于其他多层back-gated金属氧化物半导体₂场效应晶体管(28]。有点低流动性可能是由于杂质相的电影或SiO表面的杂质和陷阱₂电影(17]。此外,非线性整流行为- - - - - -曲线和饱和电流的高正的栅电压意味着接触电阻和电极之间的电影,这也可能导致低估了流动性。

4所示。结论

总之,我们已经报道了骑士few-layer金属氧化物半导体₂基于场效应晶体管显示良好的交通特征和相对较高的开/关比~ 500,这可比单层和few-layer金属氧化物半导体₂场效应晶体管制造使用CVD-grown样本。我们的研究结果表明,骑士长金属氧化物半导体₂电影不仅达到大型规模,但也存在适度的电特性。圆片规模的发达骑士方法增长二维层状材料电子应用程序可能会进一步提供新的见解。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(61604100号,11404029,51572033,51172208),该基金的信息光子学与光通信国家重点实验室(BUPT)。