牛津仪器集团的一部分bob平台下载手机版
扩大
博客
二维材料的原子层沉积

2020年3月24日|哈姆·努普斯博士

为什么原子层沉积和二维材料是一个伟大的匹配

我们的合作伙伴埃因霍温理工大学粗制滥造了许多相关的论文原子层沉积而且二维过渡金属二卤属化合物(TMDs).对许多人来说,问题是“为什么人们对这个研究领域如此感兴趣?”以及“潜力有多大?”在这篇博客中,我们将解决一些基本的和一些高级的问题,以提供一些背景和突出这些最近的作品。

什么是二维材料?我如何生长它们?

二维材料处于薄膜尺寸的极限,其厚度仅为单个原子。这些材料表现出最高的电子和光电子特性,今天的研究人员正试图利用下一代电子、光电子和能源应用设备。bob综合app官网登录

石墨烯启动了这些超薄材料的探索和应用,同时也为其他几种二维材料的探索和应用开辟了广阔的领域,如氮化物(hBN)、过渡金属二卤属化合物(MoS)2, WSe2等),甚至2D氧化物。特别是过渡金属二卤属化合物(TMDs),特别是硫化物如MoS2和WS2,由于它们的性质和可能的合成路线,已经引起了广泛的关注。

虽然这些材料可以在自然界中找到,并且可以从大块晶体中剥离,但采用基于化学蒸汽的技术可以轻松地扩大未来设备的规模。例如,高温(高达1200°C)化学气相沉积(CVD)等可能在我们的PlasmaPro 100 Nano(以前的Nanofab)可以用来生长高质量的2D材料。此外,在tmd的情况下,可以使用较低温度技术(高达600°C),如ALD。这里,我们的FlexAL2D配置FlexAL第一次安装在埃因霍温理工大学的ALD系统可以使用。

SiO2基质上的生长图

2D MoS等离子体ALD的化学和工艺窗口2.ALD的表面控制和等离子体的反应性允许在相对较低的温度下生长。

为什么我要在2D材料上使用ALD ?

对于CVD工艺,通常需要超过800°C的温度。这对于半导体的应用来说通常是致命的,因为高温会增bob综合app官网登录加原子的扩散,这使得它们更难在正确的位置上。研究人员希望有一种在较低温度下生产高质量材料的工艺。这对于二维材料的堆叠尤其重要,因为在较低的温度下,层间原子的扩散会减少。

由于其高反应性,等离子体通常允许在较低的温度下沉积薄膜,这以MoS的沉积为例2在CMOS兼容温度下,晶体材料已经在300°C通过等离子体ALD获得。此外,ALD的自限制特性提供了精确的数字厚度控制和大面积均匀生长(如200毫米晶圆)的希望。当使用硫化种子材料(如MoO3.)那么在极低的温度下沉积种子氧化物的能力是一个优势。埃因霍温小组展示了模式化的MoS2通过低温沉积种子MoO3.通过等离子体ALD对图案的抗蚀剂和后续的剥离步骤来实现图案。

Mos2沟槽扫描电镜图像

保形金属氧化物半导体2在壕沟的角落里。MoO的血浆ALD3.在150°C进行,随后在850°C在烘箱中硫化,以获得MoS2由平面表示的相位。
资料来源:Sharma et al.,博士论文(2018)。

我可以用ALD种植什么材料?

目前的研究主要集中在硫化物tmd上2, WS2,这2,这3.,这x国家统计局x和国家统计局x已经在埃因霍温的FlexAL2D上进行了演示。石墨烯将是一个有趣的材料,但为石墨烯开发ALD工艺极具挑战性,高温CVD路线可能更好。请注意,ALD广泛用于各种非2D材料,因此,也可以用于在2D材料上生长介电层、导电层和保护层。

如何控制二维材料的晶粒尺寸?

获得大晶粒尺寸对许多应用都是有益的,二维材料的许多非凡性能通常需要大晶粒。bob综合app官网登录例如,电子的迁移可以通过在晶粒边界处的散射来限制。采用高温CVD或高温硫化ALD种子材料如MoO3.已知的方法都能得到相对较大的晶粒尺寸和较好的材料质量。

在较低的温度下获得大晶粒尺寸仍然是一个挑战,但期望的是,ALD的逐步控制应该提供一些选项,以允许一些控制和增加目前获得的相对较小的晶粒尺寸。

一个例子已经证明,在ALD循环中添加额外的等离子体步骤会导致晶粒尺寸的增加。这种方法通常被称为三步ABC循环,与ALD中的正常AB循环相反。

AB到ABC扫描电镜和图形

在配方中添加额外的等离子体步骤可以减少垂直取向晶粒的数量,增加晶粒尺寸。这里显示了WS对血浆ALD的影响2
图源:Balasubramanyam et al. 2019

我如何控制我的2D材料的相位,方向和组成?

第一个相关的问题是如何确定二维材料的性质。许多普通的薄膜诊断是有用的,但拉曼光谱是特别强大的二维材料。拉曼可以相对容易地告诉你是否有晶体物质,以及它是哪个相。通过进一步的分析,拉曼还可以深入了解二维晶体平面的方向。你可能会认为平面二维材料是唯一感兴趣的结构,但对于水分解应用,例如,平面外晶体是非常有益的。bob综合app官网登录平面晶体与平面外晶体的比例取决于生长参数,目前正在进行一些控制这一比例的研究。

控制相和组成也可能是一个挑战,许多2D tmd可以存在于多个相和不同的组成(例如每个金属原子有2或3个硫原子)。用血浆ALD、TiS等方法证实了该方法的有效性2,这3.,国家统计局x,这x国家统计局x,金属氧化物半导体2和WS2两者都有自己的目标应用程序。bob综合app官网登录等离子体步骤的高反应性和活性硫等离子体物种似乎允许热ALD难以产生的富s化合物的生长。请注意,其中一些相可以是超导体,因此这也可能对量子设备感兴趣。

扫描电镜和原子结构图

2D TiS的两个不同阶段x每一种都有自己的应用和属性。bob综合app官网登录通过改变生长温度和后续退火,两者都可以通过等离子体ALD得到。注意TiS3.事实上是一种“准一维”材料,因为三角形之间没有键。
图源:Basuvalingam et al. 2019

持续不断的出版物和对该领域的普遍兴趣表明,还有许多有趣的事情要做。有足够多的参数空间可以探索,在这个研究领域仍然处于早期阶段,所以请密切关注发展。

了解更多关于我们的2D材料解决方案


埃因霍温理工大学与FlexAL2D相关的出版物列表:

问我们一个问题
订阅我们的博客

作者

哈姆·努普斯博士

哈姆·努普斯博士
原子尺度分段专家,牛津仪器等离子技术bob平台下载手机版

关注我们
推特
LinkedIn
脸谱网

订阅我们的博客!


以前的文章

2019年回顾

2019年回顾


存档

2020

2019


2018

更多博客文章>>

更多内容,你可能会喜欢…