Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Điều chỉnh tính di động của bậc vận tải MoS2 bằng kỹ thuật kỹ thuật ứng suất trong quá trình phát triển CVD
Tóm tắt
Kỹ thuật kỹ thuật ứng suất được đề xuất là một công nghệ hiệu quả để điều chỉnh các tính chất của các hợp chất chuyển tiếp kim loại dichalcogenide hai chiều (TMDCs). Các kỹ thuật kỹ thuật ứng suất thông thường (ví dụ, uốn cơ học, nung nóng) không thể duy trì ứng suất do phụ thuộc vào tác động bên ngoài, điều này giới hạn ứng dụng trong điện tử. Ngoài ra, sự điều chỉnh hiệu suất điện của TMDCs do ứng suất dự đoán lý thuyết vẫn chưa được chứng minh experimentally. Ở đây, một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả được đề xuất để giữ lại và điều chỉnh ứng suất kéo bia song phương trong MoS2 đơn lớp bằng cách điều chỉnh quy trình của sự lắng đọng hơi hóa học (CVD). Để chứng minh tính khả thi của phương pháp này, mô hình hình thành ứng suất của MoS2 phát triển bằng CVD được đề xuất và được hỗ trợ bởi sự phụ thuộc ứng suất tính toán của khoảng cách năng lượng thông qua lý thuyết hàm mật độ (DFT). Tiếp theo, việc điều chỉnh tính chất điện của MoS2 đơn lớp chịu ứng suất được chứng minh qua thí nghiệm, trong đó tính di động của bậc vận tải của MoS2 đã được tăng gấp hai lần (∼ 0.15 đến ∼ 23 cm2·V−1·s−1). Con đường ứng suất được đề xuất để bảo tồn và điều chỉnh sẽ mở ra ứng dụng quang trong kỹ thuật kỹ thuật ứng suất và chế tạo các thiết bị điện tử hiệu suất cao trong vật liệu 2D.
Từ khóa
#kỹ thuật ứng suất #MoS2 #lắng đọng hơi hóa học #tính di động của bậc vận tải #vật liệu hai chiều #hiệu suất điệnTài liệu tham khảo
Radisavljevic, B.; Radenovic, A.; Brivio, J.; Giacometti, V.; Kis, A. Single-layer MoS2 transistors. Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 147–150.
Yin, Z. Y.; Li, H.; Li, H.; Jiang, L.; Shi, Y. M.; Sun, Y. H..; Lu, G.; Zhang, Q.; Chen, X. D.; Zhang, H. Single-layer MoS2 phototransistors. ACS Nano 2012, 6, 74–80.
Su, S. Q.; Zhou, Q. W.; Zeng, Z. Q.; Hu, D.; Wang, X.; Jin, M. L.; Gao, X. S.; Nötzel, R.; Zhou, G. F.; Zhang, Z. et al. Ultrathin alumina mask-assisted nanopore patterning on monolayer MoS2 for highly catalytic efficiency in hydrogen evolution reaction. Acs Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 8026–8035.
Zhu, C. F.; Zeng, Z. Y.; Li, H.; Li, F.; Fan, C. H.; Zhang, H. Single-layer MoS2-based nanoprobes for homogeneous detection of biomolecules. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 5998–6001.
Lu, P.; Wu, X. J.; Guo, W. L.; Zeng, X. C. Strain-dependent electronic and magnetic properties of MoS2 monolayer, bilayer, nanoribbons and nanotubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 13035–13040.
Pan, H.; Zhang, Y. W. Tuning the electronic and magnetic properties of MoS2 nanoribbons by strain engineering. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 11752–11757.
Mouri, S.; Miyauchi, Y.; Matsuda, K. Tunable photoluminescence of monolayer MoS2 via chemical doping. Nano Lett. 2013, 13, 5944–5948.
Gong, Y. J.; Liu, Z.; Lupini, A. R.; Shi, G.; Lin, J. H.; Najmaei, S.; Lin, Z.; Elía, A. L.; Berkdemir, A.; You, G. et al. Band gap engineering and layer-by-layer mapping of selenium-doped molybdenum disulfide. Nano Lett. 2014, 14, 442–449.
Zhang, K. H.; Feng, S. M.; Wang, J. J.; Azcatl, A.; Lu, N.; Addou, R.; Wang, N.; Zhou, C. J.; Lerach, J.; Bojan, V. et al. Manganese doping of monolayer MoS2: The substrate is critical. Nano Lett. 2015, 15, 6586–6591.
Komsa, H. P.; Kurasch, S.; Lehtinen, O.; Kaiser, U.; Krasheninnikov, A. V. From point to extended defects in two-dimensional MoS2: Evolution of atomic structure under electron irradiation. Phys. Rev. B 2013, 88, 035301.
Miró, P.; Ghorbani-Asl, M.; Heine, T. Spontaneous ripple formation in MoS2 monolayers: Electronic structure and transport effects. Adv. Mater. 2013, 25, 5473–5475.
Luo, S. W.; Hao, G. L.; Fan, Y. P.; Kou, L. Z.; He, C. Y.; Qi, X.; Tang, C.; Li, J.; Huang, K.; Zhong, J. X. Formation of ripples in atomically thin MoS2 and local strain engineering of electrostatic properties. Nanotechnology 2015, 26, 105705.
Tongay, S.; Zhou, J.; Ataca, C.; Lo, K.; Matthews, T. S.; Li, J. B.; Grossman, J. C.; Wu, J. Q. Thermally driven crossover from indirect toward direct bandgap in 2D semiconductors: MoSe2 versus MoS2. Nano Lett. 2012, 12, 5576–5580.
Johari, P.; Shenoy, V. B. Tuning the electronic properties of semiconducting transition metal dichalcogenides by applying mechanical strains. Acs Nano 2012, 6, 5449–5456.
Amin, B.; Kaloni, T. P.; Schwingenschlogl, U. Strain engineering of WS2, WSe2, and WTe2. RSC Adv. 2014, 4, 34561–34565.
Peelaers, H.; Van De Walle, C. G. Effects of strain on band structure and effective masses in MoS2. Phys. Rev. B 2012, 86, 241401(R).
Shi, H. L.; Pan, H.; Zhang, Y. W.; Yakobson, B. I. Quasiparticle band structures and optical properties of strained monolayer MoS2 and WS2. Phys. Rev. B 2013, 87, 155304.
Liu, Z.; Amani, M.; Najmaei, S.; Xu, Q.; Zou, X. L.; Zhou, W.; Yu, T.; Qiu, C. Y.; Birdwell, A. G.; Crowne, F. J. et al. Strain and structure heterogeneity in MoS2 atomic layers grown by chemical vapour deposition. Nat. Commun. 2014, 5, 5246.
Conley, H. J.; Wang, B.; Ziegler, J. I.; Haglund, R. F., Jr.; Pantelides, S. T.; Bolotin, K. I. Bandgap engineering of strained monolayer and bilayer MoS2. Nano Lett. 2013, 13, 3626–3630.
He, K. L.; Poole, C.; Mak, K. F.; Shan, J. Experimental demonstration of continuous electronic structure tuning via strain in atomically thin MoS2. Nano Lett. 2013, 13, 2931–2936.
Amani, M.; Chin, M. L.; Mazzoni, A. L.; Burke, R. A.; Najmaei, S.; Ajayan, P. M.; Lou, J.; Dubey, M. Growth-substrate induced performance degradation in chemically synthesized monolayer MoS2 field effect transistors. Appl. Phys. Lett. 2014, 104, 203506.
Plechinger, G.; Castellanos-Gomez, A.; Buscema, M.; van der Zant, H. S. J.; Steele, G. A.; Kuc, A.; Heine, T.; Schüller, C.; Korn, T. Control of biaxial strain in single-layer molybdenite using local thermal expansion of the substrate. 2D Mater. 2015, 2, 015006.
Lloyd, D.; Liu, X. H.; Christopher, J. W.; Cantley, L.; Wadehra, A.; Kim, B. L.; Goldberg, B. B.; Swan, A. K.; Bunch, J. Scott. Band gap engineering with ultralarge biaxial strains in suspended monolayer MoS2. Nano Lett. 2016, 16, 5836–5841.
Zhu, C. R.; Wang, G.; Liu, B. L.; Marie, X.; Qiao, X. F.; Zhang, X.; Wu, X. X.; Fan, H.; Tan, P. H.; Amand, T. et al. Strain tuning of optical emission energy and polarization in monolayer and bilayer MoS2. Phys. Rev. B 2013, 88, 121301(R).
Pak, S.; Lee, J.; Lee, Y. W.; Jang, A. R.; Ahn, S.; Ma, K. Y.; Cho, Y.; Hong, J.; Lee, S.; Jeong, H. Y. et al. Strain-mediated interlayer coupling effects on the excitonic behaviors in an epitaxially grown MoS2/WS2 van der Waals Heterobilayer. Nano Lett. 2017, 17, 5634–5640.
Ahn, G. H.; Amani, M.; Rasool, H.; Lien, D. H.; Mastandrea, J. P.; Ager III, J. W.; Dubey, M.; Chrzan, D. C.; Minor, A. M.; Javey, A. Strain-engineered growth of two-dimensional materials. Nat. Commun. 2017, 8, 608.
Wang, Z. Q.; Shen, Y. H.; Ito, Y.; Zhang, Y. Z.; Du, J.; Fujita, T.; Hirata, A.; Tang, Z.; Chen, M. W. Synthesizing 1T-1H two-phase Mo1−xWxS2 monolayers by chemical vapor deposition. Acs Nano 2018, 12, 1571–1579
Zhang, B. Y.; Liu, T.; Meng, B.; Li, X. H.; Liang, G. Z.; Hu, X. N.; Wang, Q. J. Broadband high photoresponse from pure monolayer graphene photodetector. Nat. Commun. 2013, 4, 1811.
Yang, S. Y.; Shim, G. W.; Seo, S. B.; Choi, S. Y. Effective shape-controlled growth of monolayer MoS2 flakes by powder-based chemical vapor deposition. Nano Res. 2017, 10, 255–262.
Zheng, J. Y.; Yan, X. X.; Lu, Z. X.; Qiu, H. L.; Xu, G. C.; Zhou, X.; Wang, P.; Pan, X. Q.; Liu, K. H.; Jiao, L. Y. High-mobility multilayered MoS2 flakes with low contact resistance grown by chemical vapor deposition. Adv. Mater. 2017, 29, 1604540.
Splendiani, A.; Sun, L.; Zhang, Y. B.; Li, T. S.; Kim, J.; Chim, C. Y.; Galli, G.; Wang, F. Emerging photoluminescence in monolayer MoS2. Nano Lett. 2010, 10, 1271–1275.
Jeon, J.; Jang, S. K.; Jeon, S. M.; Yoo, G.; Jang, Y. H.; Park, J. H.; Lee, S. Layer-controlled CVD growth of large-area two-dimensional MoS2 films. Nanoscale 2015, 7, 1688–1695.
Najmaei, S.; Liu, Z.; Zhou, W.; Zou, X. L.; Shi, G.; Lei, S. D.; Yakobson, B. I.; Idrobo, J. C.; Ajayan, P. M.; Lou, J. Vapour phase growth and grain boundary structure of molybdenum disulphide atomic layers. Nat. Mater. 2013, 12, 754–759.
Lee, C.; Yan, H. G.; Brus, L. E.; Heinz, T. F.; Hone, J.; Ryu, S. Anomalous lattice vibrations of single- and few-layer MoS2. Acs Nano 2010, 4, 2695–2700.
Rong, Y. M.; He, K.; Pacios, M.; Robertson, A. W.; Bhaskaran, H.; Warner, J. H. Controlled preferential oxidation of grain boundaries in monolayer tungsten disulfide for direct optical imaging. Acs Nano 2015, 9, 3695–3703.
Hao, S.; Yang, B. C.; Gao, Y. L. Quenching induced fracture behaviors of CVD-grown polycrystalline molybdenum disulfide films. RSC Adv. 2016, 6, 59816–59822.
Gao, J.; Li, B. C.; Tan, J. W.; Chow, P.; Lu, T. M.; Koratkar, N. Aging of transition metal dichalcogenide monolayers. Acs Nano 2016, 10, 2628–2635.
Mennel, L.; Furchi, M. M.; Wachter, S.; Paur, M.; Polyushkin, D. K.; Mueller, T. Optical imaging of strain in two-dimensional crystals. Nat. Commun. 2018, 9, 516.
Liang, J.; Zhang, J.; Li, Z. Z.; Hong, H.; Wang, J. H.; Zhang, Z. H.; Zhou, X.; Qiao, R. X.; Xu, J. Y.; Gao, P. et al. Monitoring local strain vector in atomic-layered MoSe2 by second-harmonic generation. Nano Lett. 2017, 17, 7539–7543.
Sinha, A. K.; Levinstein, H. J.; Smith, T. E. Thermal stresses and cracking resistance of dielectric films (SiN, Si3N4, and SiO2) on Si substrates. J. Appl. Phys. 1978, 49, 2423–2426.
El-Mahalawy, S. H.; Evans, B. L. The thermal expansion of 2H-MoS2, 2H-MoSe2 and 2H-WSe2 between 20 and 800°C. J. Appl. Crystallogr. 1976, 9, 403–406.
Gan, C. K.; Liu, Y. Y. F. Direct calculation of the linear thermal expansion coefficients of MoS2 via symmetry-preserving deformations. Phys. Rev. B 2016, 94, 134303.
Nix, W. D. Mechanical properties of thin films. Metall. Trans. A 1989, 20, 2217.
Scalise, E.; Houssa, M.; Pourtois, G.; Afanas’ev, V.; Stesmans, A. Strain-induced semiconductor to metal transition in the two-dimensional honeycomb structure of MoS2. Nano Res. 2012, 5, 43–48.
Jiang, T.; Huang, R.; Zhu, Y. Interfacial sliding and buckling of monolayer graphene on a stretchable substrate. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 396–402.
Ni, Z. H.; Yu, T.; Lu, Y. H.; Wang, Y. Y.; Feng, Y. P.; Shen, Z. X. Uniaxial strain on graphene: Raman spectroscopy study and band-gap opening. ACS Nano 2008, 2, 2301–2305.
Zhang, C. D.; Li, M. Y.; Tersoff, J.; Han, Y. M.; Su, Y. S.; Li, L. J.; Muller, D. A.; Shih, C. K. Strain distributions and their influence on electronic structures of WSe2-MoS2 laterally strained heterojunctions. Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 152–158.
Rice, C.; Young, R. J.; Zan, R.; Bangert, U.; Wolverson, D.; Georgiou, T.; Jalil, R.; Novoselov, K. S. Raman-scattering measurements and first-principles calculations of strain-induced phonon shifts in monolayer MoS2. Phys. Rev. B 2013, 87, 081307(R).
Mao, N. N.; Chen, Y. F.; Liu, D. M.; Zhang, J.; Xie, L. M. Solvatochromic Effect on the Photoluminescence of MoS2 Monolayers. Small 2013, 9, 1312–1315.
Chakraborty, B.; Bera, A.; Muthu, D. V. S.; Bhowmick, S.; Waghmare, U. V.; Sood, A. K. Symmetry-dependent phonon renormalization in monolayer MoS2 transistor. Phys. Rev. B 2012, 85, 161403(R).
Sun, L. F.; Leong, W. S.; Yang, S. Z.; Chisholm, M. F.; Liang, S. J.; Ang, L. K.; Tang, Y. J.; Mao, Y. W.; Kong, J.; Yang, H. Y. Concurrent synthesis of high-performance monolayer transition metal disulfides. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1605896.
Han, G. H.; Kybert, N. J.; Naylor, C. H.; Lee, B. S.; Ping, J. L.; Park, J. H.; Kang, J.; Lee, S. Y.; Lee, Y. H.; Agarwal, R. et al. Seeded growth of highly crystalline molybdenum disulphide monolayers at controlled locations. Nat. Commun. 2015, 6, 6128.
Yang, P. F.; Zou, X. L.; Zhang, Z. P.; Hong, M.; Shi, J. P.; Chen, S. L.; Shu, J. P.; Zhao, L. Y.; Jiang, S. L.; Zhou, X. B. et al. Batch production of 6-inch uniform monolayer molybdenum disulfide catalyzed by sodium in glass. Nat. Commun. 2018, 9, 979.
Ju, M.; Liang, X. Y.; Liu, J. X.; Zhou, L.; Liu, Z.; Mendes, R. G.; Rümmeli, M. H.; Fu, L. Universal substrate-trapping strategy to grow strictly monolayer transition metal dichalcogenides crystals. Chem. Mater. 2017, 29, 6095–6103.
Chan, V.; Rim, K.; Ieong, M.; Yang, S.; Malik, R.; Teh, Y. W.; Yang, M.; Qi, Q. Strain for CMOS performance improvement. In Proceedings of IEEE 2005 Custom Integrated Circuits Conference, San Jose, USA, 2005, pp 667–674.
Yun, W. S.; Han, S. W.; Hong, S. C.; Kim, I. G.; Lee, J. D. Thickness and strain effects on electronic structures of transition metal dichalcogenides: 2H-MX2 semiconductors (M = Mo, W; X = S, Se, Te). Phys. Rev. B 2012, 85, 033305.
Kresse, G.; Hafner, J. Ab initio molecular dynamics for liquid metals. Phys. Rev. B 1993, 47, 558–561.
Kresse, G.; Furthmüller, J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Phys. Rev. B 1996, 54, 11169–11186.
Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865–3868.