Logam Transisi Dichalcogenides: Membuka Kunci Rahasia Pertumbuhan Kristal WS2

“Yah, sudahkah kamu mencoba? Sekarang lihat instruksinya. " Lelucon ini menggambarkan keengganan beberapa orang untuk pertama-tama mengetahui apa dan bagaimana melakukan sesuai dengan instruksi, dan baru kemudian melanjutkan untuk bekerja / berkumpul / memasang. Di dunia penelitian ilmiah yang kompleks, penemuan dan penelitian, ini juga sering terjadi, meskipun tidak atas kehendak ilmuwan. Beberapa proses, yang hasilnya tampaknya dapat dimengerti dan jelas bagi semua orang, masih kurang dipelajari, yang membuat mereka sulit untuk diperbaiki. Perwakilan mencolok dari proses tersebut adalah pembentukan dichalcogenides logam transisi. Namun, tidak ada yang akan disembunyikan dari tatapan ingin tahu para ilmuwan. Jadi, para ilmuwan Toshiaki Kato dan Toshiro Kaneko dapat secara pribadi mengamati sintesis logam transisi dichalcogenides, yang merupakan wafer semikonduktor dengan ketebalan beberapa atom. Apa yang tidak biasa tentang dichalcogenides logam transisi ini, bagaimana para ilmuwan menemukan rahasia mereka dan apa artinya ini bagi dunia semikonduktor? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Dichalcogenides logam transisi (selanjutnya disebut PDM) adalah semikonduktor monolayer tipis yang terdiri dari logam transisi dan kalkogen. Satu lapisan atom logam terletak di antara dua lapisan atom kalkogen, yang dapat dinyatakan dengan rumus MX ₂ (M - logam dan kalkogen X).

Chalcogenes termasuk unsur-unsur yang cukup akrab bagi kita: oksigen, belerang, selenium, telurium, polonium, dan cacing hati artifisial disintesis (Lv).

Kombinasi unsur-unsur ini (logam dan kalkogen) dalam bentuk PDM dalam strukturnya adalah bahan dua dimensi, karena ketebalannya yang sangat kecil, yang mengarah pada penampilan sifat dan karakteristik yang tidak biasa. Cukup sering, PDM dibandingkan dengan graphene, struktur dua dimensi lain yang sifatnya sangat berbeda dari basis tiga dimensi (karbon). Sejumlah properti menarik dari PDM meliputi:

• MoS ₂ , WS ₂ , MoSe ₂ , WSe ₂ , MoTe ₂ adalah kesenjangan langsung, mis. di dalamnya, transisi elektron dari pita konduksi ke pita valensi tidak disertai dengan kehilangan momentum, yang membuat senyawa ini sempurna untuk membuat transistor dalam elektronik atau penghasil dan sensor dalam optik;
• PDM tidak memiliki pusat inversi * , yang memungkinkan kita untuk mencapai tingkat baru kebebasan pembawa biaya $
• interaksi spin-orbit yang kuat dalam monolayer PDM mengarah ke pemisahan spin-orbit ratusan meV di pita valensi dan beberapa meV di pita konduksi, yang memungkinkan Anda untuk menyesuaikan putaran elektron dengan menyesuaikan energi foton laser;
• dua dimensi MoS ₂ dan kopling spin-orbit tinggi dari senyawa ini memiliki potensi besar untuk spintronics.

Pusat inversi * adalah titik di dalam gambar (kristal dalam kasus ini) di mana setiap garis yang ditarik melewatinya di kedua sisi dan pada jarak yang sama akan memenuhi titik yang sesuai dari gambar tersebut.

Dan ini hanya sebagian kecil dari fitur yang melekat pada PDM. Dan untuk memperluas jangkauan kemampuan ini hanya dimungkinkan secara lebih rinci dengan mempelajari proses pembentukan PDM dalam kondisi yang berbeda. Dalam karya kami hari ini, para ilmuwan menggambarkan metode baru untuk mengamati dinamika difusi dan nukleasi selama pertumbuhan tungsten disulfida (WS ₂ ). Mereka juga berhasil menentukan secara akurat panjang difusi (L _d ) dari prekursor * .

Prekursor * - suatu zat yang terlibat dalam reaksi pembentukan zat akhir.

Menurut penelitian, nilai _Ld mencapai ~ 750 μm, yang hampir dua orde besarnya lebih tinggi dari semikonduktor tradisional seperti Si ₁₂ , GaAs _13, dan SiC ₁₄ . Para ilmuwan mengaitkan indikator besar dengan tetesan prekursor yang diamati selama pembentukan WS ₂ .

Hasil penelitian

Dan sekarang kita akan mulai mempertimbangkan apa yang dapat ditemukan para ilmuwan selama pengamatan mereka.

Pertama-tama, para ilmuwan mencatat bahwa untuk mempelajari dinamika pertumbuhan kristal dua dimensi, sangat berguna untuk memiliki kendali atas wilayah nukleasi (tahap pertama transisi fase). Dalam pekerjaan mereka, para peneliti menggunakan titik inklusi emas (Au), yang memungkinkan untuk secara tepat mengontrol proses nukleasi WS ₂ dan kepadatan daerah nukleasi ( 1a - 1c ).


Gambar No. 1

Gambar 1d menunjukkan hasil sintesis WS ₂ pada substrat yang mengandung array titik Au, di mana jarak antara pusat titik Au (L _Au ) adalah 20 μm. Pertumbuhan kristal WS ₂ segitiga di daerah dengan Au menunjukkan adanya kontrol atas daerah nukleasi dan kepadatannya.

Selanjutnya, panjang difusi ( _Ld ), yang merupakan parameter kinetik penting dari pertumbuhan kristal ( 1c ), ditentukan secara eksperimental. Mempertimbangkan bahwa pertumbuhan WS ₂ diamati hanya di daerah dengan Au, substrat SiO ₂ di tempat-tempat antara titik Au tetap telanjang ( 1d ).

Pengamatan ini memungkinkan para ilmuwan untuk menyarankan dua mekanisme nukleasi. Jika hampir semua bahan prekursor dikirim ke substrat dari fase uap tertarik secara efektif oleh titik Au dan digunakan untuk pertumbuhan WS ₂ , _Ld dapat ditentukan dengan rumus berikut:

L _d ≈ √2L _Au / 2

Menariknya, pembentukan kristal WS ₂ individu diamati hanya di daerah Au bahkan ketika L _Au adalah ≤ 200 μm ( 1e dan 1f ). Dan ini menunjukkan bahwa indikator maksimum _Ld tidak akan melebihi 140 mikron. Pengamatan ini juga menarik karena _{Ld dari} bahan semikonduktor konvensional (Si ₁₂ , GaAs ₁₃ dan SiC ₁₄ ) berada dalam kisaran 0,2 hingga 30 μm.

Untuk penentuan Ld yang lebih akurat dan pengamatan difusi superlong prekursor, hambatan difusi di sekitar titik Au ( 2a ) dibuat.


Gambar No. 2

Pertumbuhan kristal berhenti pada tahap awal, ketika panjang setiap sisi kristal segitiga WS ₂ (L _{WS 2} ) meningkat seiring waktu pertumbuhan. Nilai L _{WS 2} sangat terkait dengan (Γ _eff t) ^0,5 dalam model ini, di mana is _eff adalah fluks prekursor efektif ke tepi pertumbuhan WS ₂ , dan t adalah waktu pertumbuhan. Selain itu, ef sebanding dengan πΓ ₀ L _d ² , di mana Γ ₀ adalah aliran prekursor fase uap ke substrat per unit area. Tergantung pada panjang dinding penghalang difusi (L _BW ), oleh karena itu, L _{WS 2} akan bervariasi tergantung pada L _BW ( 2a dan 2b ).

Berdasarkan model ini, para ilmuwan menyarankan sebuah wilayah di mana pertumbuhan L _{WS 2} akan bertransisi dari fungsi kuadratik L _BW ke keadaan saturasi ( 2b ). Dengan demikian, L _BW akan sama dengan 2L _d pada titik belok pada grafik 2b .

Untuk percobaan yang sebenarnya, para ilmuwan menempatkan hambatan difusi kuadrat dari berbagai ukuran pada substrat, yang masing-masing berpusat di sekitar titik Au ( 2c ). Seperti yang diharapkan, ada hubungan yang jelas antara L _{WS 2} dan L _BW ( 2d - 2g ).

Ketika L _BW masih kecil, L _{WS 2} meningkat dengan L _BW dan mencapai titik saturasi setelah mencapai ambang kritis L _BW . Ini menunjukkan bahwa ukuran kristal WS ₂ dikendalikan oleh difusi, dan bahwa _Ld dapat ditentukan oleh ambang L _BW . Juga ditemukan bahwa perubahan _Ld tergantung pada posisi nukleasi pada substrat (P1, P2, P3, P4) di wilayah di mana suhu menurun dari ~ 721 ° C ke ~ 654 ° C, dan nilai maksimum L _d ~ 750 μm diamati pada 721 ° C (P1) dan 698 ° C (P2).

Untuk semikonduktor tradisional, model transfer muatan yang dominan melonjak, ketika prekursor melompati wilayah stabil tetangga terdekat (NN dari tetangga terdekat ). Difusi terjadi pada beberapa mikrometer. Upaya untuk menjelaskan difusi ekstra panjang dari prekursor WS ₂ menggunakan model ini telah menyebabkan jarak yang ditempuh dalam satu lompatan menjadi lebih dari 100 kali lebih besar daripada jarak antara daerah NN. Sebelumnya, menurut para ilmuwan, lompatan serupa sudah diamati, tetapi tidak begitu besar, yaitu selama difusi W pada permukaan substrat, lompatan terpanjang hanya beberapa kali lebih lama dari jarak antara daerah NN.

Menimbang bahwa lompatan panjang seperti di WS ₂ sebelumnya tidak diamati di mana pun, kita dapat mengasumsikan bahwa difusi prekursor WS ₂ berlangsung sesuai dengan mekanisme yang sama sekali berbeda.


Gambar No. 3

Untuk lebih memahami dinamika pembentukan WS ₂ , percobaan dilakukan di mana bentuk dan diameter inklusi emas (D _Au ) bervariasi ( 3a ). Korelasi yang kuat diamati antara struktur titik nukleasi dan probabilitas nukleasi WS ₂ ( 3a dan 3b ).

Juga dicatat bahwa kristalinitas dari monolayer WS ₂ sama sekali tidak bergantung pada bentuk inklusi emas, kristal tunggal WS ₂ tumbuh sama baiknya di daerah berbentuk bulat, segitiga, persegi, dan berbentuk batang.

Kemudian, para ilmuwan memusatkan penembakan mereka pada penyebaran emas yang bulat, mengubah diameternya, dan pengaruh suhu yang berbeda juga dipantau. Percobaan mengungkapkan bahwa pada D _Au ~ 1 μm, konsentrasi kristal tunggal WS ₂ lebih tinggi daripada di D _Au ≈ 4 μm, yaitu. konsentrasi lebih tinggi dengan pertumbuhan pada inklusi emas yang lebih kecil ( 3s ).

Mengubah suhu pertumbuhan memungkinkan kita untuk mengubah nilai L _{WS 2} . Plot ketergantungan konsentrasi kristal tunggal pada L _{WS 2} / D _Au menunjukkan korelasi yang jelas: konsentrasi kristal tunggal WS ₂ meningkat dengan LWS ₂ / D _Au dan mencapai saturasi pada (L _{WS 2} / D _Au )> 6 ( 3d ).

Ringkas data pengamatan sebagai berikut:

panjang difusi prekursor superlong (~ 750 μm);
kristal tunggal dapat tumbuh pada emas diselingi (Au) dari berbagai bentuk;
ada korelasi yang jelas antara konsentrasi kristal tunggal dan L _{WS 2} / D _Au .

Berdasarkan data yang diperoleh dari pengamatan, para ilmuwan mengusulkan model difusi dan nukleasi prekursor mereka ( 3e ). Karena bentuk inklusi emas tidak ada hubungannya dengan pertumbuhan WS ₂ , harus diasumsikan bahwa "genangan" bulat (dalam gambar genangan 3 ) dari prekursor dapat terbentuk di sekitar Au diselingi bahkan sebelum pertumbuhan dua dimensi. Selain itu, pertumbuhan polikristalin WS ₂ akan dimungkinkan jika diameter genangan prekursor akan lebih kecil dari diameter inklusi emas (D _Au ). Akibatnya, prekursor akan berdifusi ke substrat dalam bentuk tetesan, bukan dalam bentuk molekul individu, yang menjelaskan difusi ekstra panjang dari prekursor pada substrat SiO ₂ .

Selain itu, interaksi antara tetesan dan substrat terjadi melalui adsorpsi fisik, bukan kimia. Dan ini benar-benar berbeda dari difusi atom dan molekul, di mana lompatan NN dominan karena interaksi kimia yang kuat dengan permukaan substrat. Tetesan yang teradsorpsi secara fisik dengan mudah bergerak di atas permukaan SiO ₂ untuk waktu yang relatif lama, yang memastikan difusi ultra-panjang.

Para ilmuwan menentukan stabilitas tetesan menggunakan persamaan Young-Laplace: ΔP = 2γ / r, di mana ΔP adalah perbedaan antara tekanan jatuh (P _in ) dan tekanan uap (P _out ) pada antarmuka; γ adalah tegangan permukaan tetesan; r adalah jari-jari drop.

Semakin kecil nilai ΔP, semakin stabil dropnya. Ini berarti bahwa bahan dengan γ rendah lebih stabil, terutama dalam kisaran skala nano (r <500 nm). Nilai γ tetesan logam cair dapat dikurangi dengan meningkatkan suhu, mengurangi ukuran tetesan dan mencampurnya dengan oksigen. Dapat diasumsikan bahwa tetesan skala nano yang mengandung WxSyOz pada suhu tinggi akan menunjukkan tegangan permukaan yang sangat rendah, yang menjadikan mereka kandidat tetesan prekursor. Para peneliti mencatat bahwa untuk lebih memahami dinamika pertumbuhan WS ₂ , perlu untuk mempelajari dengan cermat komponen tetesan prekursor.

Semua perhitungan, teori, dan hasil percobaan dapat dikonfirmasi dengan cara yang sangat sederhana, tetapi pada saat yang sama rumit, dengan pengamatan langsung pada fase nukleasi.


Gambar No. 4

Selama pengamatan langsung (dalam waktu nyata), peningkatan LWS ₂ diamati, yang mengkonfirmasi kemungkinan pengamatan waktu nyata dari pertumbuhan kristal WS ₂ ( 4a - 4c ).

Sebuah studi terperinci tentang nukleasi mengungkapkan transformasi yang menarik ( 4d - 4f ). Pada awal pertumbuhan, struktur cincin ( 4d dan 4g ) terbentuk di sekitar pusat nukleasi alami. Mereka berubah menjadi bentuk segitiga pada tahap pertumbuhan ( 4e , 4f , 4h dan 4i ). Pengamatan ini konsisten dengan model yang dijelaskan sebelumnya ( 3e ). Oleh karena itu, ini menunjukkan kumpulan prekursor yang terbentuk segera setelah nukleasi di sekitar pusatnya. Transformasi serupa dari kumpulan prekursor di WS ₂ diamati di banyak situs nukleasi ( 4j ), yang menetapkan keandalan dinamika pertumbuhan yang disebabkan oleh tetesan ( 3e dan 4g - 4i ).

Ditemukan bahwa sekitar 41% dari prekursor dikonversi ke WS ₂ selama tahap pertumbuhan.

Fakta utama yang menegaskan adanya beberapa mekanisme pertumbuhan PDM sekaligus adalah pembentukan bagian dari kristal WS ₂ bahkan tanpa kumpulan prekursor.

Selanjutnya, berdasarkan pada model pertumbuhan yang dipelajari, para ilmuwan membuat penyesuaian yang tepat untuk D _Au , L _Au dan suhu pertumbuhan dalam percobaan kombinatorial. Penyesuaian sistematis ini menciptakan kondisi yang diperlukan untuk sintesis terpadu kristal tunggal WS ₂ , yang ditentukan oleh keseimbangan antara probabilitas nukleasi dan pertumbuhan kristal tunggal. Di bawah kondisi pertumbuhan yang paling cocok, WS ₂ terintegrasi ditanam di wilayah 1,5 cm x 1,5 cm, yang mencakup seluruh substrat ( 5a ).


Gambar No. 5

Gambar yang diperoleh dengan menggunakan mikroskop optik ( 5b ) dan pemindaian mikroskop elektron ( 5c ) menunjukkan bahwa kristal WS ₂ berbentuk segitiga tumbuh pada titik Au dengan hasil> 87%. Mikroskop gaya atom menunjukkan bahwa ketebalan WS ₂ adalah sekitar 0,8 nm ( 5d ). Kristal WS _{2 yang} ditunjukkan pada peta intensitas photoluminescence ( 5e ) menunjukkan photoluminescence cerah dengan puncak emisi tajam pada 1,97 eV ( 5f ).

Spektrum Raman WS ₂ berisi dua puncak yang dipisahkan oleh 61 cm ⁻¹ ( 5g dan 5h ). Ini menunjukkan bahwa WS _{2 yang} ditumbuhkan dengan metode ini adalah struktur kristal tunggal monolayer.

Pemetaan intensitas PL dilakukan pada area yang luas antara A dan B ( 5a ). Fotoluminesensi seragam terdeteksi pada seluruh lebar (1,5 cm) media ( 5i ).

Semua pengamatan ini telah mengkonfirmasi bahwa> 35.000 kristal WS ₂ individu dapat ditanam dengan kontrol posisi yang tepat.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Dalam karya ini, para ilmuwan dapat menunjukkan hasil pengamatan langsung real-time langsung pertama di dunia untuk pertumbuhan kristal WS ₂ . Ini memungkinkan pemahaman yang jauh lebih baik tentang dinamika pertumbuhan monolayer dan kristal tunggal WS ₂ . Dengan mengendalikan nukleasi karena titik Au dan hambatan difusi, nilai rekor panjang difusi L _d ~ 750 μm tercapai, yang hampir dua kali lipat lebih besar daripada bahan semikonduktor tradisional.

Dengan menyusun semua teori, perhitungan, dan pengamatan mereka, para ilmuwan dapat menerapkan eksperimen kombinatorial, yang hasilnya adalah pertumbuhan sukses lebih dari 35.000 WS ₂ kristal tunggal pada substrat dengan lebar hanya 1,5 cm.

Para peneliti sendiri percaya bahwa hasil pekerjaan mereka akan berfungsi sebagai dasar untuk transisi yang sukses dari mempelajari prinsip-prinsip dasar pembentukan dichalcogenides logam transisi ke pengalaman praktis dan implementasi pengetahuan yang diperoleh dalam proses tersebut.

Dengan sepenuhnya memahami sifat, sifat, dan karakteristik senyawa yang tidak biasa seperti dichalcogenides logam transisi, semikonduktor jenis baru akan dibuat, ketebalannya hanya beberapa atom, dan efisiensinya tidak akan kalah dengan semikonduktor klasik. Perkembangan seperti itu akan sangat berguna dalam semua jenis elektronik, terutama yang fleksibel.

Apakah kita semua tahu tentang logam transisi dichalcogenides? Tentu saja, jauh dari semuanya. Namun, berkat penelitian semacam ini, jangkauan pengetahuan kami berkembang, yang di masa depan akan memungkinkan kami untuk sepenuhnya mengubah pemahaman kita tentang tidak hanya semikonduktor, tetapi juga dunia di sekitar kita.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran, dan selamat bekerja, kawan! :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?