Growth control of transition metal chalcogenides by metal precursors and promoters

Abstract

2차원(2D) 재료와 그 이종 구조는 차세대 광전자, 스핀트로닉스, 밸리트로닉스 및 전자공학 분야에서 유망한 분야입니다. 최근 2D 소재의 다양한 성장 연구가 진전되고 있지만, 2D 소재의 성장 과정에서 원하는 모양과 품질로 소재 성장을 정밀하게 제어하고 단일 도메인을 합성하는 것이 어렵기 때문에 고품질 2D 소재를 얻기 위해서는 여전히 벌크 크리스탈을 기계적으로 박리하는 방법이 가장 많이 사용되고 있습니다. 본 논문에서는 2D 전이금속 디칼코게나이드 소재의 물성을 조절하기 위한 성장 및 성장 메커니즘에 대한 연구를 진행하였습니다. 자세한 연구를 소개하기에 앞서 1장에서는 성장 메커니즘 분석의 중요성을 포함하여 2D 전이금속 칼코겐화물 소재의 물성 및 성장에 대한 간략한 일반적 배경을 설명합니다. 2장에서는 기존의 합성법에서의 문제점을 개선한 세 가지 방식의 서로다른 전이금속 디칼코게나이드의 성장법을 설명합니다. 첫번째는 성장촉진제를 이용하여 MoS2를 성장시키고 성장시킨MoS2의 PL을 ex-situ로 강화했습니다. PL 이미징을 통해 반복적인 빛 조명으로 인해 이미징 영역 내에서 PL 강도가 점진적으로 향상되는 것을 관찰했습니다. 포인트 PL 측정은 PL 강도가 약 7배 향상되었다는 정량적 증거를 제공했습니다. 그리고 저온 PL 및 XPS 측정은 이런 광학적특성의 강화가 결함 치유와 관계가 있음을 보여줍니다. 따라서 이러한 향상은 엑시톤의 형성 및 직접밴드갭을 통핸 발광 결합 경로의 증가와 반복적인 빛 조명에 의해 촉진된 결함 치유에 의한 것입니다. 두번째로 성장 과정에서 생성되는 중간상인 액상 텅스텐 산화물(WOx)이 다층 WS2의 성장을 촉진하는 것을 확인하였습니다. 높은 산소비(x>3)를 갖는 중간상 WOx는 액상이 되어 황이 액상 WOx에 용해될 수 있고, 그 결과 WOx 표면에 다층 WS2가 핵을 형성하게 됩니다. 그런 다음 WS2와 WOx 사이의 높은 계면 에너지로 인해 WS2가 액체 WOx를 바깥쪽으로 밀어내면서 옆으로 성장합니다. 성장한 다층 WS2 단결정은 2H 및 3R의 다양한 적층 순서를 가지며, 이는 2차 고조파 생성(SHG) 신호와 광발광(PL)으로 확인했습니다. 마지막으로, 저는 고품질의 패싯 MoO2 결정을 황화하여 단층 MoS2의 핵 형성 및 성장 거동을 확인하였습니다. MoS2 층은 MoO2 결정의 테라스 위치에서 핵을 형성하고 MoO2 표면에 대한 결정 상관 관계와 함께 에피택셜로 성장했습니다. 에피택셜로 성장한 MoS2 층은 SiO2 기판에서 바깥쪽으로 팽창하여 단층 단결정 필름을 형성하지만, 여러 테라스 위치로 인해 MoO2 표면에서 MoS2 층이 여러 번 핵 형성됨에도 불구하고 가장 넓게 노출되어있는 MoO2 표면에서 성장한 MoS2만이 단층 단결정 필름을 형성합니다. MoS2와 금속 MoO2 사이의 효율적인 전하 이동으로 인해 MoS2의 광발광이 퀀칭되고, SiO2 기판으로 뻗어 나온 MoS2는 (15 cm2V-1s-1)의 높은 캐리어 이동도를 보여, MoO2 결정을 시드 및 전구체로 사용하여 고품질의 단층 MoS2 필름을 성장시킬 수 있음을 나타냅니다. 우리의 연구는 패싯 MoO2 결정을 사용하여 고품질 MoS2를 성장시키는 경로를 보여주고 계단 모양의 표면에서 2D 재료의 핵 형성 및 성장에 대한 더 깊은 이해를 제공합니다. 이 연구 결과는 2D 재료의 성장에 대한 더 나은 이해를 제공하여 2D 재료의 새로운 성장 방법을 설계하는 데 적용될 수 있습니다.

Two-dimensional (2D) materials and their heterostructures are promising for next-generation optoelectronics, spintronics, valleytronics, and electronics. Despite recent progress in various growth studies of 2D materials, mechanical exfoliation of flakes is still the most common method to obtain high-quality 2D materials because precisely controlling material growth and synthesizing a single domain during the growth process of 2D materials, for the desired shape and quality, is challenging. In this thesis, most of works are focused on the growth of 2D transition metal dichalcogenides materials to tailor their physical properties. Prior to introducing the detailed studies, brief general background about 2D materials properties and growth including importance of analyzing growth mechanisms are given in chapter 1. Then, to growth of desired transition metal dichalcogenides, three growth methods are described in chapter 2. Here, I successfully modified and modulated the PL of MoS2. Through PL imaging, I observed a gradual enhancement in PL intensity within the imaging area, resulting from repetitive light illumination. The point PL measurements provided quantitative evidence of approximately 7-fold enhancement in PL intensity. And the low-temperature PL and XPS measurements show that tins enhancement has relationship with defect healing. So, this enhancement can be attributed to increased radiative recombination of excitons and defect healing facilitated by repetitive light illumination. Also, I find that liquid phase tungsten oxide (WOx), an intermediate phase produced during the growth process, facilitates the growth of multilayer WS2. The intermediate WOx with high oxygen ratio (x>3) becomes a liquid phase so that sulfur can be dissolved in liquid WOx, resulting in nucleation of multilayer WS2 on the WOx surface. Then, the WS2 grows laterally by squeezing out the liquid WOx outward due to higher interface energies between WS2 and WOx. The grown multilayer WS2 single crystals have various stacking orders of 2H and 3R, which is confirmed by second-harmonic generation (SHG) signals and photoluminescence (PL). Finally, I report the nucleation and growth behaviors of monolayer MoS2 by sulfurizing a faceted monoclinic MoO2 crystal. The MoS2 layers nucleated at the thickness steps of the MoO2 crystal and grew epitaxially with crystalline correlation to the MoO2 surface. The epitaxially grown MoS2 layer expands outwardly on the SiO2 substrate, resulting in a monolayer single-crystal film, despite multiple nucleations of MoS2 layers on the MoO2 surface owing to several thickness steps. Although the photoluminescence of MoS2 is quenched owing to efficient charge transfer between MoS2 and metallic MoO2, the MoS2 stretched out to the SiO2 substrate shows a high carrier mobility of (15 cm2V-1s-1), indicating that a high-quality monolayer MoS2 film can be grown using the MoO2 crystal as a seed and precursor. Our work demonstrates a route to grow high-quality MoS2 using a faceted MoO2 crystal and provides a deeper understanding of the nucleation and growth of 2D materials on a step-like surface. Our findings can provide a better understanding of growth in 2D materials, which can be applied to design a new growth method for 2D materials