Crescimento de filme fino de MoS2 em grande área por sulfurização direta

Mar 18, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8378 (2023) Citar este artigo

1000 acessos

1 Citações

Detalhes das métricas

Neste estudo, apresentamos o crescimento do filme monocamada MoS2 (dissulfeto de molibdênio). O filme de Mo (molibdênio) foi formado em um substrato de safira através de evaporação por feixe eletrônico, e o filme triangular de MoS2 foi cultivado por sulfurização direta. Primeiro, o crescimento do MoS2 foi observado ao microscópio óptico. O número de camadas de MoS2 foi analisado por espectro Raman, microscópio de força atômica (AFM) e medição por espectroscopia de fotoluminescência (PL). Diferentes regiões de substrato de safira possuem diferentes condições de crescimento de MoS2. O crescimento do MoS2 é otimizado controlando a quantidade e localização dos precursores, ajustando a temperatura e o tempo de crescimento apropriados e estabelecendo ventilação adequada. Resultados experimentais mostram o crescimento bem sucedido de um MoS2 de camada única de grande área em um substrato de safira através de sulfurização direta sob um ambiente adequado. A espessura do filme MoS2 determinada pela medição AFM é de cerca de 0,73 nm. A diferença de pico entre o deslocamento de medição Raman de 386 e 405 cm-1 é de 19,1 cm-1, e o pico de 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 MoS2. Os resultados verificam a distribuição do número de poedeiras 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 distribuídos discretamente em um filme MoS2 de grande área e camada única. Este trabalho fornece uma referência para o cultivo de MoS2 em uma grande área. Esperamos aplicar esta estrutura a várias heterojunções, sensores, células solares e transistores de película fina.

O material bidimensional em camadas MoS2 com camadas atomicamente espessas é um dos dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) mais comuns 1,2,3,4; tem um gap de energia indireto de 1,2 eV no semicondutor MoS2 a granel e um gap de energia direto de 1,8 eV na monocamada MoS25,6,7,8,9. Os TMDs de camada única possuem uma excelente relação de comutação de corrente (relação de corrente liga/desliga) em transistores de efeito de campo devido ao seu gap de energia direta . 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 camadas . Portanto, os materiais bidimensionais são amplamente discutidos e estudados pelos cientistas. Muitos métodos, incluindo esfoliação mecânica12,27,28,29,30, tiomolibdato de amônio termicamente decomposto31,32,33,34, 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, conseguir filmes finos de MoS2 de grandes áreas é um desafio. A razão 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 grandes áreas, tornando um desafio a implantação da produção para dispositivos eletrônicos. Portanto, a síntese de filmes finos de MoS2 de grande área atraiu muita atenção da pesquisa.

O método de cultivo deste estudo é a sulfetação direta utilizando molibdênio/óxido de molibdênio, também proposta por Lin et al.35 em 2012. O processo principal é realizar a 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 banhado em um substrato de safira e cultivado através de 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 do 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: