時間を使用した APCVD 成長単層 MoS2 に関する新たな洞察

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4146 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

現代では、超高速の無線通信が時代のニーズとなっており、最先端の科学を通じてその解決策を模索することが新たな視点となっています。この問題に対処するには、テラビット/秒 (TBPS) のオーダーのデータレートが、テラヘルツ (THz) 周波数領域を利用した新興の第 6 世代 (6G) ネットワークを実現するための重要なステップとなる可能性があります。これに関連して、新しいクラスの遷移金属ジカルコゲニド (TMD) が、次世代ワイヤレス THz 技術の潜在的な候補として導入されました。ここでは、独自に開発された大気圧化学気相成長 (APCVD) 装置を使用して、高品質の二硫化モリブデン (MoS2) 単層を合成する戦略が採用されました。さらに、時間領域透過率とシート導電率が研究され、単層 MoS2 のテラヘルツ応答の妥当なメカニズムが提案され、バルク MoS2 と比較されました。したがって、得られた結果は、次世代テラヘルツ通信デバイスに利益をもたらす可能性のある量子材料として単層 MoS2 を採用するための足がかりとなります。

ワイヤレス接続 (第 6 世代接続、6G) のビジョンは、超スマート社会、人工知能、仮想現実、スマートウェアラブル、自動運転車、ワイヤレスローカルエリアネットワーク (WLAN) といった今後の時代への影響により、ますます注目を集めています。、高速列車 (HST) 通信など多数1、2、3。 6G の背後にあるアイデアは、次世代の生活の質を向上させるために、環境に優しくグリーンな接続で Tbps データ伝送の目標を達成することです。 6G ワイヤレス接続ではより高いデータトラフィックレートが必須であるため、運用帯域を THz 周波数範囲に広げることで、十分に活用されていないテラヘルツ (THz) 周波数帯域を導入することが重要なステップ 4,5 となり、より高いデータレートとより優れたスペクトル効率への扉が開かれます。空けた。通常、THz ドメインは、スペクトル範囲が 100 GHz から 10 THz の間にあるため、マイクロ波周波数と光周波数の間の周波数帯域を意味します。この周波数範囲には、フォトニクスおよびエレクトロニクスに基づいた新しい未来技術の展開において多大な可能性が秘められています。無線通信システムを実際に応用するには、関連コンポーネントに適切な材料を使用する必要があり、これらのコンポーネントは効率的に設計され、本質的にコンパクトに組み立てられる必要があります。したがって、望ましいTHz材料を求めて、科学界は現在、既存のバルク材料を置き換えることができる新しく出現した2D材料に注目しています6。原子薄層材料は、熱安定性、より高い移動度、より優れた導電性、バンドギャップ調整性、広帯域光応答、調整可能な THz 特性などの新しい物理的、化学的、電子的特性により、非常に異なっていると考えられています7。したがって、これらの材料は、テラヘルツ波の伝播とともにテラヘルツ応答性を動的に制御する上で大きな可能性を示します7。 2D 材料の特定のカテゴリ、つまり遷移金属ジアカルコゲニド (TMD) は、キャリア移動度が安定し、変調効率が高いため、大きな注目を集めています。このシリーズでは、低誘電率スクリーニングを備えた単層半導体 TMD により、強く束縛された励起子が明らかになります8。適切な光励起を使用することで、TMD の励起子特性をフォトルミネッセンス (PL) の超高速反応時間で調整できます9。バルクTMDを単層または数層にまで薄くすると、バンドギャップが間接バンドギャップから直接バンドギャップにシフトすることが十分に確立されています10。このようなすべての TMD の中で、MoS2 は室温での優れた電子的および光子的特性のため、THz 用途に最も適した有望な候補となる可能性があります 11、12、13、14。単層 MoS2 を成長させる方法はいくつかありますが、その中でも常圧 CVD (APCVD) アプローチが最も好まれています。その理由は、真空を使用しない連続インラインプロセスに加えて、最も安定した高品質、大量生産、コスト効率が高いためです。。

現在の研究では、再現性の高い三角形の単層 MoS2 が、ゾーン温度の校正を備えた「CSIR-NPL」で独自に開発された低コストの APCVD 装置を使用して合成され、石英管全体で必要な温度勾配が維持されています。市販の CVD セットアップには、高価な MFC (マスフローコントローラー) を含む 2 ゾーン炉システムが装備されていますが、当社は、コスト効率が高く、温度を制御するための校正済みの高精度回転計を備えたシングルゾーン CVD 炉セットアップを開発しました。石英管内に不活性ガス雰囲気を導入し、再現性の高い単層 MoS2 を合成します。合成されたままの三角形の単層 MoS2 の品質は、いくつかの標準的な顕微鏡および分光技術を通じて特性評価され、検証されました。本研究の主な焦点は、時間領域テラヘルツ分光法を用いて単層 MoS2 のテラヘルツ特性を調査し、これまで報告されていないバルク MoS2 との比較研究を行うことである。さらに、単層 MoS2 に関連するテラヘルツ特性のもっともらしいメカニズムも、バルク MoS2 と比較して、新興の次世代テラヘルツ通信デバイスでの潜在的な用途を実現するために詳細に提唱されています。

図1に示すように、単層MoS2は、インドのニューデリーにある「CSIR-NPL」で独自に開発された装置を使用したシングルステップAPCVD成長技術を使用して、SiO2/Si基板上に正常に合成されました。単層MoS2の成長のためのAPCVDの前に、図S1a、bに示すように、プロセスで利用されたすべての原材料（MoO3およびS粉末）の純度と相の同定がXRDによって検査されました。単層 MoS2 の成長の質、望ましい形状およびサイズは、成長時間、成長温度、加熱速度、ガス流量、前駆体間の距離などのいくつかの重要なパラメータに依存します15。気相反応には 2 段階のプロセスが含まれます。最初に MoO3-x の中間相が形成され、その間に式 (1) に示すように酸化物の硫化が起こります。 (1)、続いて硫化をさらに飽和させて、最初の中間反応中に形成された不飽和酸素原子の代わりに硫黄の適切な置換を完了します16、17。

(a) 単層 MoS2 の合成用に独自に開発した APCVD セットアップの図。 (b) 横型分割炉と石英管。 (c) 成長前と (d) 成長後の炉内の一定加熱ゾーンでの前駆体と基板の配置。

上記の式を組み合わせると、次の式が得られます。 (1) と (2):

一般に、完全な硫化は単層 MoS2 の成長に不可欠ですが、不完全な硫化はモリブデンの他の二次酸化物相 (MoO2/MoO3) の成長の原因となります。不完全な硫化を避けるために、硫黄ボートの位置を基板が置かれた加熱ゾーンの中心に変更することで硫化速度を制御できます。さらに、前駆体（酸化モリブデン；MoO3）に対する硫黄の割合を減らすことにより、高品質な三角形の単層 MoS2 の成長を制御できます。ただし、条件を最適化するために、MoO3 に対する硫黄の重量比を変えることによって APCVD の統計的な実行がいくつか実行され、異なる形態および単層 MoS2 のサイズが堆積されました。特定の三角形形状の最適化は、以前の研究で報告されているように行われています15、18。現在の研究のカスタマイズされた成長条件については、実験セクションで詳細に説明されています。さらに、定性分析の観点から MoS2 の層の数を検証するために、ラマン分光分析が実行されました。ラマン分光法に先立って、図 2 に示すように、SiO2/Si 基板上の蒸着したままの MoS2 層の形状、サイズ (横方向の寸法)、および厚さのコントラストを光学および電界放射型走査電子顕微鏡 (FESEM) 技術によって調査しました。 SiO2/Si上に堆積したままのMoS2層の異なる倍率の顕微鏡写真を図2a〜cに示します。 APCVD 堆積した MoS2 の形態は、図 2a に示すように、最大横サイズ 26.06 μm の三角形で観察され、そのコントラストは原子的に薄い層として現れます 19。図2d–fに示すように、最大平均横サイズはFESEMによる数密度〜0.006/μm2で21.34μmと推定されます。単層 MoS2 の数密度の推定については、サポートノート S2 および図 S2a、b (サポート情報) に詳細に記載されています。単層MoS2の数密度の推定は、図S2aに示すようにFESEM画像の選択領域に基づいています。成長したままの単層MoS2の統計的面積分布を図S2bに示します。 FESEM から得られた原子的に薄い三角形 MoS2 の横サイズは、上に示したように光学顕微鏡写真から得られた横サイズと一致します。ここでは、同じ原子的に薄い三角形の MoS2 サンプルが、光学顕微鏡写真と FESEM の異なる選択領域から使用されています。図3aに示すように、APCVDによって堆積されたMoS2の品質と層の数を確認するために、ラマン分光法が実行されました。ラマンの結果は、それぞれ 381.57 cm-1 での Mo および S 原子の面内振動 (E12g) と 401.04 cm-1 での S 原子の面外振動 (A1g) に関連する 2 つの振動モードの存在を示しています。。 E12g モードと A1g モード間の周波数差 (Δk) は、ランダムに選択された三角形の 3 つの異なる空間位置で 19.47 cm-1 であることが判明し、E12g モードの半値全幅 (FWHM) から推定されたピーク幅は 4.76 cm であることが判明しました。 -1 は、APCVD で成長させた単層 MoS218,20,21,22,23,24,25 の以前に報告された値とよく一致しています。さらに、ラマンマッピングを実行して、堆積したままの単層 MoS2 の三角形表面全体にわたる振動モードの均一性を明らかにしました。堆積したままの単層MoS2の三角形表面のラマンマッピング画像は、図3b、cに示すように、表面全体にわたるE12gおよびA1g振動モードのラマン強度の均一な空間分布を証明しています。したがって、ラマンマッピングは、三角形の形状からなる成長した MoS2 層が本質的に単層であることを確認します。さらに、図S3に示すように、光学遷移を決定するために単層MoS2の吸収スペクトルが記録されました。単層MoS2の紫外可視吸収スペクトルとtaucプロットをそれぞれ図S3a、bに示します。図S3aに示すように、A励起子ピーク（632 nm）は直接励起子遷移により出現し、B励起子ピーク（612 nm）はスピン軌道結合により出現します。図S3bに示すように、Tauc方程式を使用して、単層MoS2の直接バンドギャップが1.82eVであることが計算されました。

ここで、α：吸収係数、h：プランク定数、ν：周波数、A：比例定数、Eg：バンドギャップエネルギー、γ：電子遷移の性質（直接許容遷移の場合、γ = 2）

光学およびFESEMの特性評価。 (a – c) 光学画像。（d – f）厚さ300 nmのSi / SiO2基板上にAPCVD成長させた単層MoS2のさまざまな倍率でのFESEM画像、スケールバーが記載されています。

ラマンスペクトルとラマンマッピング。 (a) 厚さ 300 nm の SiO2/Si 基板上の 3 つの角における三角形の単層 MoS2 のラマンスペクトル。面内振動モードと面外振動モードの周波数差で表されます。振動ピーク強度に関する三角形形状の単層 MoS2 のラマンマッピング。 (b) 平面 E12g 内。 (c) 平面 A1g の外側にスケールバーが記載されています。

さらに、図4aに示すように、フォトルミネッセンス（PL）を使用して、室温でMoS2単層の品質を分析しました。三角形の MoS2 単層の PL スペクトルは、波長 532 nm (2.33 eV) のダイオードレーザーで励起すると 2 つの異なる発光ピークを示します。その中で、最も強い A 励起子発光ピークの 1 つは、675 nm (1.83 eV) から 686 nm (1.80 eV) の範囲に存在し、680.86 nm (1.82 eV) を中心としています。一方、別の比較的弱い励起子発光ピーク B は、624 nm (1.98 eV) ～ 642 nm (1.93 eV) の範囲で示され、633.82 nm (1.95 eV) を中心とします。 A および B の励起子発光ピークは、ブリルアンゾーンの K 点でのスピン分割直接遷移により発生します 26、27、28、29。 A 対 B 励起子ピークの PL 発光強度比は 1.77 と計算され、単層 MoS2 の品質が良好であることが再度確認されました。励起子ピーク A の強度が B よりも高いことは、単層 MoS2 の直接バンド遷移を意味します。したがって、得られた PL 結果は、MoS2 の品質がバルク MoS2 の間接バンドギャップ、つまり 1.23 eV と比較して 1.82 eV の直接バンドギャップを備えた本質的に単層であることを示唆しています。これは、吸収から推定された上記のバンドギャップによってもさらに裏付けられています。 Tauc プロットを使用したスペクトルであり、最近発表されたいくつかの PL 結果とよく一致しています 18,30。さらに、観察されたPLスペクトルのデコンボリューション分析を、3つのガウスピーク、すなわち中性励起子(A0)、負のトリオン(A-)およびB励起子とフィッティングすることによって実行した。図4bに示すように、A0およびB励起子ピークは、ブリルアンゾーンのK点での直接バンドギャップ遷移に関連付けられており、エネルギーは強い価電子帯スピン軌道結合から分割されます。 PL スペクトルのデコンボリューション結果は、Ao 励起子のエネルギーが 1.82 eV21 であるのに対し、A-トリオンのエネルギーは 1.79 eV18 であることを示しています。図4bに示すように、AoのPL強度はA-トリオンと比較してはるかに高いことが観察されます。さらに、PL発光プロセスと、合成されたままの単層MoS2におけるAトリオンと比較したAo励起子の優位性をよりよく理解するために、図4cに示すようなエネルギー準位図が提案されています。このエネルギー準位図は、バルク MoS2 間接遷移と単層直接遷移の間の PL プロセスの違いを理解するのにも役立ちます。バルク MoS2 モデルに基づく理論的予測では、バルク MoS2 の間接バンドギャップは約 1.23 eV26 と推定されます。しかし、単層 MoS2 の場合、励起子ピークが励起子結合エネルギーの変化、またはブリルアンゾーンの K 点における最低伝導帯 (CB) と最高価電子帯の間のギャップに起因して生じることを知ることは興味深いことです。。注目すべき特徴の 1 つは、多くの研究グループによって実験的に観察されているように、層の厚さがほんの数層および二層から単層に減少すると、A 励起子の PL 強度が大幅に強化されるが、B 励起子の PL 強度はほぼ一定のままであることが認識できました。これには、PL 分光法を使用した MoS2 の層数の定量化に関する以前の研究が含まれます 19。一方、バルク MoS2 の場合、A 励起子と B 励起子の PL 強度はほぼ同様です 31,32。バルクと比較して、単層 MoS2 における A 励起子の強い増強の存在は、図 4a および図 4c の提案されたエネルギー準位図に示されているように、間接バンドギャップと直接バンドギャップのクロスオーバーによって暗示される可能性があります。私たちの以前の研究でも報告されているように、B励起子の強度は、厚さが単層から二重層に変化した場合でもほぼ一定の強度を示しています19。実験的観察に基づいて、提案されたエネルギー準位図は、合成されたままの状態で存在する電荷不純物に起因するA-トリオン欠陥準位と比較してAo励起子の存在が優勢である可能性を含むAおよびB励起子遷移を表しています。単層MoS2。 A-トリオン欠陥レベルの存在が少ないほど、合成されたままの単層MoS2のより良い結晶品質を示します。さらに、より高いエネルギーの伝導帯電子とのAo励起子の相互作用の優位性は、THz-TDS結果でさらに実現されるように、テラヘルツ特性の生成に強い影響を与える強力な電荷動的結合を生み出します。さらに、図4dに示すように、スポットサイズ1μmの励起源として532 nmダイオードレーザーを使用したPLマッピング技術を使用して、表面全体にわたる個々の三角形の単層MoS2の空間PL強度分布と均一性を調べました。。 PL マッピングの結果は、合成されたままの単層 MoS2 の PL 強度が優れており、三角形領域全体でほぼ均一であることを示しています 33。

PL の特徴とメカニズム。 (a) 厚さ 300 nm の SiO2/Si 基板上の単層 MoS2 の PL スペクトル。 (b) 単層 MoS2 のデコンボリューションされた PL スペクトル。 (c) 提案されたエネルギー準位図。 (d)励起子ピークに対する単層MoS2のPLマッピング、スケールバーが記載されています。

さらに、図S434に示すように、APCVD技術によってサファイア基板上に堆積された単層MoS2およびバルクMoS2のテラヘルツ特性を調査するために、テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）が実行されました。 THz-TDS 測定用の基板 35 の導電損失をゼロにするための高抵抗基板の必要性を満たすために、単層 MoS2 の成長にはサファイア基板が選択されました。すでに最適化された成長パラメータは、実験部分で説明したように、サファイア基板上での成長に使用されています。サファイア上に成長したままの材料の品質を検証するために、光学顕微鏡検査とラマン分光法もサファイア基板上で実行され、図1および2に示されています。それぞれS5とS6。フェムト秒 (FS) レーザーと光伝導スイッチアンテナを組み合わせて、サンプルに対して THz-TDS を実行するためのテラヘルツパルスの生成と検出に使用されます。簡単に言うと、THz-TDS 技術では FS レーザービームが使用され、さらに 2 つの部分に分割されます。図5a、bに示すTHz-TDSの実際のセットアップは、THz-TDSメカニズムの概略図を示しています。 THz-TDS セットアップでは、THz を生成および検出するために、レーザービームの配置が 2 つの異なる経路に適合されています。最初の経路では、分割されたレーザービームはテラヘルツエミッターに直接進み、そこで（光伝導アンテナ）PCAと相互作用してTHzパルスを生成します。一方、もう一方の経路では、分割されたレーザービームは検出器に到達し、生成されたTHzパルスを検出します。サンプル（この研究ではサファイア基板上のMoS2）を通過します（図5bを参照）。このようにして、検出された時間領域のテラヘルツパルスは、高速フーリエ変換 (FFT) によって周波数領域のスペクトルにさらに変換され、以下の式で表されるように、複素周波数領域のスペクトルが得られます。

時間領域テラヘルツ分光法のセットアップ。 (a) 時間領域テラヘルツ分光システムの絵画図と挿入図は、放物面鏡とサンプルホルダーの配置を示しています。 (b) THz-TDS メカニズムの概略図。

したがって、THz-TDS は振幅と位相の両方に関する情報を提供できます。さらに、適切な基準を使用すると、このような透過率測定により、研究対象の材料の導電率、屈折率、吸収係数などのさまざまな光学パラメータに関連する周波数依存情報が得られます。大気中の湿度の影響を打ち消すために、THz-TDS が乾燥大気中で室温で実行され、したがって MoS2 の真の応答を可能な限り正確に捕捉していることが注目に値します。時間領域テラヘルツ分光法の測定精度は、応答性、透過率、シート導電率の観点から、空気中および既知の市販のテラヘルツ分光サンプルを使用して校正されました。

さらに、Tinkham 近似は、単層 MoS236 の超薄膜の挙動を解析するために使用されています。したがって、周波数依存の導電率は次の関係を使用して推定されます。

ここで FFT: 高速フーリエ変換、T (\({\upomega }\)): 透過率、ns: 基板の屈折率、Z0: 真空インピーダンス (377 Ω)、Esample(\({\upomega }\)): THzサンプルを介した EF 信号、Esubstrate(\({\upomega }\)): ベア基板を介した THz EF 信号

時間領域テラヘルツ分光法の観察は、測定前に光学顕微鏡によって確認された、三角形の単層 MoS2 (テラヘルツスポットサイズよりも大きい) のより密な領域で実行されました。図6は、単層MoS2を透過したテラヘルツ信号を示しています。単層 MoS2 を透過したテラヘルツパルスは、まず FFT を使用して周波数領域スペクトルに変換され、さらに分析されました。単層MoS2のTHz-TDS測定は、図6a〜dに示すように、単層MoS2が放射線を変調できること、およびTHz領域で特定の応答性を実証できることを示しています。裸のサファイア基板３６とともにサファイア基板上の単層ＭｏＳ２を透過したＴＨｚパルスを図６ａに示す。しかしながら、図６ｂは、送信パルスの変化を詳しく示すために、図６ａに示されるパルスの拡大図である。さらに、ティンカム関係を使用して抽出されたTHz伝導率を、0.2〜1.2 THz周波数範囲について図6dに示します。単層MoS2を通る透過スペクトルは、ほぼ94〜97％の高い透過率を示しています。これは、図6cに示すように、単層MoS2に存在するより高いエネルギーバンドギャップのために観察されます。 APCVD 成長した単層 MoS2 の抽出されたシート導電率は、同様の THz 周波数範囲で約 1.3304 × 10−4 ～ 4.42 × 10−4 S/m であることがわかります。導電率で観察される異常な変動は、リガンド場の理論に基づいて説明できる可能性があります。ただし、同じ効果について以前に報告された直接の証拠はありません。一般に、この理論は、分子軌道理論と、遷移金属錯体における金属 d 軌道の縮退の喪失を説明する結晶場の理論で説明される原理を組み合わせたものです。単層 MoS2 で観察された量子閉じ込め効果により、THz 信号の小さな吸収とブルーシフトが見られたことを観察するのは興味深いことです。 A0 励起子の直接バンド遷移を伴う伝導帯電子間に強いスピン軌道結合が発生しました。これは、前述したように観測された PL 結果によっても裏付けられています。さらに、より明確にするために、図 7 に示すように、バルク MoS2 結晶と比較した原子薄膜単層 MoS2 の優れた THz 特性を説明するためのもっともらしいメカニズムが提案されています。バルク MoS2 で THz-TDS を実行する前に、MoS2 の純度結晶は、図1および2に示すように、XRDおよびラマン分光法技術によって検査されています。それぞれS7とS8。現在の研究では、THz ビーム (スポットサイズ 3 ～ 4 mm) が基板上の単層 MoS2 サンプルを通過します。同時に、図S9に示すように、基板上に単層MoS2を堆積する前に基板も測定されます。最後に、(MoS2 + 基板) を通過する THz 信号は、基板のみを通過した THz 信号で正規化されます。このようにして、基板からの寄与がない単層 MoS2 の固有の真の応答を捕捉しました。図7a〜cは、テラヘルツ信号がバルクMoS2と相互作用するときの状態を表しています。バルク MoS2 は、間接遷移 (バンドギャップ; Eg = 1.23 eV) を伴う連続的な価電子帯と伝導帯により THz 信号の伝達が少なく、その結果、キャリア間散乱 (2 ps)37、キャリアフォノン散乱 (20 ps) が大きくなります。 )37 および間隔散乱 (2.6 ns)37。ただし、単層 MoS2 の場合、量子閉じ込め効果により、離散的なエネルギー準位を伴う直接遷移 (バンドギャップ; Eg = 1.82 eV) が存在し、そのため欠陥支援散乱 (< 500 fs)37 およびキャリアフォノン散乱 (80 ps) が発生します。 ) 図 7d ～ f に示すように、37 はあまり支配的ではありません。したがって、薄い単層 MoS2 の場合、透過率とシート導電率は異なる挙動を示しますが、バルク MoS2 の場合は大幅に消光します。さらに、入射テラヘルツ信号と送信テラヘルツ信号の間に共振現象が発生するため、テラヘルツ信号は単層 MoS2 を介して効率的に伝送され、将来のテラヘルツ用途に調整の余地が大きくなる可能性があります 38。この共振現象は、図7eに示すように、単層MoS2について以前に報告されたバンド内直接遷移時間350 fs9がテラヘルツ信号パルス幅よりもはるかに小さいため、テラヘルツ信号パルス幅が単層MoS2とよりよく同期するために発生します。ただし、バルク MoS2 の場合、間接バンド遷移時間は ps の範囲にあり、fs の範囲のテラヘルツ信号パルス幅よりもはるかに長いため、テラヘルツパルスはテラヘルツ信号のパルス幅と同期しません。これは、バルクMoS2中のテラヘルツ信号の大きな損失を引き起こす可能性があり、その結果、図7bの提案されたメカニズムに示されているように、バルクMoS2中のテラヘルツ信号強度が大幅に減少し、他の研究グループによっても観察されたように、テラヘルツ信号の大きな損失が発生する可能性があります。バルクMoS239。また、図S9に示すように、結果の連続的な再現性を確保するために、異なる密度の高い場所で単層MoS2の測定をさらに2回実行しました。したがって、単層 MoS2 量子材料の時間領域分光法の結果は、無線通信におけるその潜在的な用途を正当化するものであり、また、私たちが使用する適切な次世代 THz デバイスを設計するために、超高速、ポンププローブ、および 2D コヒーレント分光法の研究をさらに進めるきっかけにもなります。今後の研究の焦点。

時間領域テラヘルツ分光法。 (a) サファイア基板上の単層 MoS2 を透過した THz 信号。 (b) 送信された THz パルスの拡大図。 (c) サファイア基板上に成長した単層 MoS2 を介した透過 THz 振幅。 (d) サファイア基板上の単層 MoS2 のシート導電率を THz 周波数領域で抽出したもの。

バルクおよび単層 MoS2 の THz 特性の比較研究。 (a) バルク MoS2 に入射する THz 信号。 (b) バルク MoS2 を介して送信された THz 信号。 (c) バルク MoS2 のエネルギー準位図。 (d) 単層 MoS2 に入射する THz 信号。 (e) 単層 MoS2 を介して送信される THz 信号。 (f) 単層 MoS2 のエネルギー準位図。

インドのニューデリーにある CSIR-NPL で独自に開発された APCVD 装置を使用して、高品質の単層 MoS2 を合成する成功した戦略が提案されました。単層 MoS2 の光学的および分光的特性は、光学顕微鏡、ラマン、紫外可視および PL 分光技術によって定性的に検証されており、堆積した MoS2 を本質的に単層としてさらに定量化しています。さらに、単層 MoS2 結晶の表面全体にわたる均一性と空間強度分布は、PL およびラマンマッピングによって確保され、Mo および S 原子の異なる面内および面外振動も、381.57 cm での E12g のマッピングによって調査されました。 401.04 cm-1 でそれぞれ 1 と A1g。約 21.34 µm の三角形単層 MoS2 の形態と平均横サイズが FESEM によって確認されました。さらに、THz-TDS 研究では、0.2 ～ 1.2 THz 周波数領域の周波数範囲内で単層 MoS2 の導電率が 1.3304 × 10-4 ～ 4.42 × 10-4 S/m の範囲であることが明らかになりました。単層 MoS2 の未解明のテラヘルツ特性が詳細に説明され、量子閉じ込め効果による単層 MoS2 の励起子キャリアダイナミクスの役割を含む、単層 MoS2 における電子-光子相互作用によって導入される光吸収を調査するためのもっともらしいメカニズムを提案することに成功し、その議論を裏付けました。観測されたPLとテラヘルツ特性による。したがって、得られたテラヘルツ光電子特性は、バルク MoS2 と比較して、単層 MoS2 が次世代小型テラヘルツ通信デバイスの開発に関与する影響力のある量子材料としての可能性を示しています。

図1に示すように、独自の研究室で開発されたAPCVDセットが単層MoS2の合成に使用されました。単層MoS2のAPCVD成長は、ガス流量、前駆体の量、セラミックボート間の距離、加熱速度などの成長パラメータを変更することによって最適化されました。など40．このプロセスには、横型石英管炉内でさまざまな成長温度で金属酸化物とカルコゲニド前駆体の両方を蒸発させることが含まれます。上記のパラメータに基づいて条件を最適化するために、APCVD の統計的な実行がいくつか実行されました。最適条件は、セラミックボート (長さそれぞれ 9 cm) に入れ、粉末状の MoO3 (99.9%、Sigma Aldrich) 15 mg と硫黄 (S) (CDH Delhi) 100 mg を使用して達成され、炉の加熱ゾーン (24水平分割炉内の石英管（仕様：長さ 12.27 cm、内径 6 cm、外径 6.5 cm）内で互いに cm 間隔）を配置します。さらに、洗浄したSiO2/Si基板を炉内のセラミックボート上に下向きに保持した。チューブを加熱する前に、成長中の酸素の汚染を避けるために、チューブをロータリーポンプで真空圧４．２トルに排気した。さらに、水分や塵など、チューブ内に吸収されたさまざまな種類の汚染物質を除去するために、チューブを 480 sccm のアルゴン (Ar) ガスでパージしました。16。このチューブの不活性環境により、成長プロセス中の異物不純物との反応が回避されます。加熱ランプは 30 分間設定され、2 つの連続したステップで完了しました 21、40、41。最初のステップでは、ガス流量は 14 °C/min の昇温速度で 300 °C まで以前と同じ (480 sccm) に維持されました。第 2 ステップでは、ガス流量を 120 sccm に減らし、ランピングレートを 23 °C/min まで増加させました。その後、気相反応が開始し、655℃で5分間41成長を行った。成長後、炉を自然冷却させた。炉が 100 °C に冷えるまで、不活性ガスの流れを管内に維持しました 16,34。 SiO2/Si 基板上への単層 MoS2 の堆積に成功した後、APCVD プロセスを実行する前の基板の色はそのボディの色とは異なることが観察されました。堆積が成功した後、単層 MoS2 を光学顕微鏡およびその他の特性評価技術で分析して、その単層の性質と品質を検証しました。また、いくつかの連続した統計的実行を通じて最適条件が検討され、最終的に独自に開発された APCVD を使用して再現性の高い単層 MoS2 を成長させる戦略が開発されました。

APCVD法を用いた単層成長プロセスの前に、前駆体の品質と純度をチェックするために、市販のMoO3粉末、S粉末、MoS2結晶に対して、Cu Kα1を使用したリガク製Mini Flex II X線回折計を使用してX線回折(XRD)を実施しました。 (λ = 1.5418Å) 放射線源。 SiO2/Si 基板 (GMS-India) 上に合成された単層 MoS2 を視覚化するために、光学顕微鏡検査が実行されます。ＮＡおよび作動距離がそれぞれ０．９５および０．３５ｍｍである対物レンズＭＰＬＡＰＯＮ５０ＸＬＥＸＴ、ＭＰＬＡＰＯＮ１００ＸＬＥＸＴを有するＬＥＸＴ３Ｄ測定レーザー顕微鏡ＯＬＳ５１００を明視野モードで利用する。電界放射型走査型電子顕微鏡 (FESEM) を使用して、Carl ZEISSSUPRA40 VP で表面形態を調査しました。さらに、単層 MoS2 およびバルク MoS2 結晶のラマン分光分析は、Renishaw inViaTM 共焦点ラマン顕微鏡 (倍率: 50x、100x) を使用して実行されました。励起レーザーの波長は、室温で後方散乱モードで 532 nm/2.33 eV エネルギーに選択されました。単層の紫外可視吸収スペクトルは、励起子状態を観察するために紫外可視分光計 (AvaLight-DH-S-BAL) を使用して記録されました。相補的PL分光法は、室温で配置を変化させた同じラマン装置を使用して実行されました。ラマンおよび PL マッピングも、同じレニショー inViaTM 共焦点装置を使用して、異なる空間マッピング構成で実行されました。単層 MoS2 のテラヘルツ特性は、TOPTICA FemtoErb THz FD6.5 (仕様: レーザー放射 1560 nm、繰り返し周波数 100 MHz、レーザー出力 80mW) を使用した THz-TDS の助けを借りて広範囲に検査されました。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、CSIR-NPL 所長の Venugopal Achanta 教授が、「2D 量子材料の計測」に関するミッションモードプロジェクトに研究施設を提供してくれたことに感謝します。光学顕微鏡施設に対する継続的なサポートをしていただいた Anish Bhargava 氏と Anish Alam 氏に感謝いたします。 XRD 機能を提供してくださった VPS Awana 博士に感謝します。また、FESEM の特性評価について JS Tawale 博士に感謝します。著者、SS および PC は、インド大学助成委員会 (UGC) およびインド CSIR に対し、それぞれ UGC-SRF および CSIR-JRF 研究フェローシップに感謝します。著者 SR と DRC は、58/14/32/2019-BRNS/11090 からの部分的なサポートを認めています。著者らは、CIF、Jamia Millia Islamia がラマンおよび PL 測定を提供したことを認めています。

CSIR-国立物理研究所、先端材料およびデバイス計測部門、フォトニック材料計測サブ部門、Dr. KS Krishnan Road、ニューデリー、110012、インド

サローニシャルマ、プージャチョーハン、ウトカルシュラージ、シュブダスリヴァスタヴァ、ビピンクマールグプタ

科学革新研究アカデミー (AcSIR)、ガーズィヤーバード、201002、インド

サロニ・シャルマ、プージャ・チョーハン、ビピン・クマール・グプタ

500043 インド、テランガーナ、ハイデラバード、マヒンドラ大学、バハードゥルパリ

シュリーヤ・レイン & ディバカー・ロイ・チョードリー

Center for Interdisciplinary Research in Basic Sciences、Jamia Millia Islamia、Jamia Nagar、ニューデリー、110025、インド

ZA アンサリ

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SS は、研究の概念、調査、方法論、分析、草稿を考案しました。 PC は研究の一部を分析しました。 SRは時間領域のテラヘルツ分光測定を実行し、分析部分も支援しました。 UR は実験の 3D ビューの概略図を作成しました。 SS はサンプルの製作を手伝い、書き込み部分をレビューしました。 ZAA はラマンと PL 測定を実施し、プロジェクトの編集とレビューも行いました。 DRC は時間領域テラヘルツ分光測定の機能を提供し、執筆部分を編集およびレビューしました。 BKG は、プロジェクトの着想、概念化、編集、レビュー、監督を行いました。著者全員が原稿の準備に協力しました。データおよび資料の入手可能性: 現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手可能です。

ビピン・クマール・グプタへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Sharma, S.、Chauhan, P.、Rane, S. 他時間領域テラヘルツ分光法を使用した、APCVD 成長単層 MoS2 に関する新たな洞察。 Sci Rep 13、4146 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31102-z

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受信日: 2022 年 12 月 20 日

受理日: 2023 年 3 月 6 日

公開日: 2023 年 3 月 13 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31102-z

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