Investigación de la banda de energía en las heterouniones de disulfuro de molibdeno y ZrO2

Resultados y discusiones

Los espectros Raman del MoS ₂ multicapa recién crecido y transferido posteriormente se caracterizaron a temperatura ambiente como se muestra en la Fig. 1. Dos modos Raman prominentes etiquetados como A _{1 g} y \ ({\ mathrm {E}} _ {2g} ^ 1 \) se observaron en el espectro. Específicamente, el modo \ ({E} _ {2g} ^ 1 \) es el resultado del movimiento opuesto de los átomos S en el plano con respecto al átomo de Mo central en la región de frecuencia más baja, mientras que A _{1 g} es relativo a las vibraciones fuera del plano de los átomos de S en la región de frecuencia más alta [21]. Se ha observado que \ ({\ mathrm {E}} _ {2g} ^ 1 \) y A _{1 g} modos de MoS ₂ se someten a un desplazamiento al rojo y al azul, respectivamente, de una monocapa a muestras a granel, lo que se debe a la fuerza de restauración de Van der Waals de las diferentes capas intermedias ya la influencia de los cambios de estructura inducidos por el apilamiento [21]. Por lo tanto, la diferencia de frecuencia (Δk) entre A _{1 g} y los modos \ ({\ mathrm {E}} _ {2g} ^ 1 \) se utilizan a menudo para evaluar el número de capa o el grosor de MoS ₂ película. Aquí, Δk del MoS ₂ crecido la película mide aproximadamente 25,32 cm ⁻¹ , lo que indica que la película tiene más de seis capas. Además, el resultado de la microscopía electrónica de transmisión (TEM) de sección transversal que se muestra en el recuadro de la Fig.1 demostró el número de capa del MoS ₂ crecido fue de aproximadamente 8 correspondiente al espesor de aproximadamente 4,5 nm. Además, la posición del pico Raman y el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) de MoS ₂ es casi el mismo antes y después de la transferencia, lo que indica que el proceso de transferencia ejerce una pequeña influencia en la calidad del material.

La espectroscopia Raman del ultrafino MoS ₂ película antes y después de la transferencia. El recuadro es la imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de sección transversal del MoS ₂ en ZrO ₂ / Sustrato de Si, que muestra las capas de MoS ₂

Se ha demostrado profundamente que XPS es una forma eficaz de determinar el desplazamiento de banda en la interfaz de heterounión [22, 23]. En MoS ₂ / ZrO ₂ heterounión, el valor de VBO se obtuvo a partir del cambio de los espectros de la banda de valencia del ZrO ₂ entre los del óxido desnudo y con MoS ₂ material [24]. La Figura 2a, b mostró el nivel del núcleo y los espectros de la banda de cenefa de ZrO ₂ desnudo y multicapa-MoS ₂ / ZrO ₂ , respectivamente. La intersección entre la línea de base y la pendiente del borde de ataque da el máximo de la banda de valencia (VBM) de la muestra, donde el nivel de Fermi se toma como nivel de referencia. Los resultados demostraron que el VBM de ZrO ₂ y multicapa-MoS ₂ / ZrO ₂ Los sistemas son de aproximadamente 1,88 eV y 0,06 eV, respectivamente. Además, el espectro de nivel de núcleo de Zr 3d de ZrO ₂ desnudo exhibe picos de doblete bien separados denominados Zr 3d _5/2 y 3d _3/2 con valores de energía de 182.05 eV y 184.45 eV, respectivamente, mientras que los valores correspondientes para el MoS ₂ / ZrO ₂ muestra son 182,10 eV y 184,50 eV, respectivamente. El cambio de nivel central de Zr 3d _5/2 o 3d _3/2 ~ 0.05 eV está en el rango de error de procesamiento de datos y medición. En comparación con el ZrO ₂ desnudo muestra, MoS multicapa ₂ ejerció pequeños efectos sobre el espectro de Zr 3d como se muestra en la Fig. 2b. Entonces, la diferencia de energía entre el Zr 3d _5/2 y VBM es 180.17 eV y 182.04 eV para el ZrO ₂ desnudo muestra y MoS ₂ / ZrO ₂ muestra, respectivamente. En consecuencia, el valor de VBO para el MoS multicapa ₂ / ZrO ₂ La interfaz es de aproximadamente 1,87 ± 0,05 eV, principalmente como resultado de la diferencia de VBM entre el ZrO ₂ desnudo y MoS ₂ / ZrO ₂ . De manera similar, para el MoS multicapa ₂ / ZrO ₂ muestra con CHF ₃ tratamiento con plasma antes de MoS ₂ transferencia, el VBM es aproximadamente 0.02 eV como se muestra en la Fig. 2c, casi idéntico a la muestra sin CHF ₃ tratamiento. Sin embargo, el espectro de Zr 3d se mueve hacia una energía más alta en aproximadamente 0,75 eV, Zr 3d _5/2 ~ 182,85 eV y 3d _3/2 ~ 185,25 eV, lo que indica que el valor de VBO aumentó en aproximadamente 0,75 ± 0,04 eV después del grabado con plasma. Entonces, el valor CBO ∆E _C se puede obtener de acuerdo con la fórmula

donde E _{G , ZrO 2} y E _{G , MoS 2} son la banda prohibida de ZrO ₂ y MoS ₂ , respectivamente, y ∆E _V corresponde al valor VBO. Normalmente, la energía de la banda prohibida del aislante de óxido se puede obtener del espectro de energía de pérdida de O 1 s [25]. La Figura 3a muestra el espectro de pérdida de energía de O 1 s de ZrO ₂ y el E _{G , ZrO 2} es aproximadamente 5,56 eV calculado a partir de la diferencia de energía extrapolando la línea base del borde lineal (535,95 eV) ajustada a la energía del nivel del núcleo de los enlaces Zr-O (530,39 eV). La banda prohibida de MoS ₂ en este trabajo es de aproximadamente 1,2 eV. Por lo tanto, el valor de CBO para la muestra sin CHF ₃ el tratamiento es de aproximadamente 2,49 eV y 1,74 eV para la muestra con CHF ₃ tratamiento. Luego, las estructuras esquemáticas de la ingeniería de bandas para las muestras sin y con CHF ₃ El tratamiento con plasma se ilustra en la Fig. 3b. Obviamente, el MoS multicapa ₂ / ZrO ₂ El sistema tiene una alineación de tipo I, que facilita los electrones y los huecos confinados en el MoS ₂ . Mientras tanto, el gran ∆E _C y ∆E _V para MoS ₂ / ZrO ₂ interfaz implica que ZrO ₂ Podría ser un buen dieléctrico de puerta para MoS ₂ multicapa de canal n o p Aplicación basada en FET en términos de supresión de corriente de fuga de puerta. Además, la muestra con tratamiento con plasma tiene un VBO ∆E más alto _V (CBO inferior ∆E _C ) en comparación con la muestra sin tratamiento con plasma, que es mejor en la aplicación de FET de canal p.

Los espectros de banda de valencia y Zr 3d a nivel de núcleo para a desnudo ZrO ₂ óxido, b multicapa-MoS ₂ / ZrO ₂ sample y c CHF ₃ MoS ₂ multicapa tratado con plasma / ZrO ₂ muestra

un Espectros de pérdida de energía de fotoelectrones de O 1 s para el ZrO ₂ óxido. b La estructura esquemática de la alineación de la banda de energía en el MoS ₂ / ZrO ₂ interfaz sin (arriba) y con (abajo) CHF ₃ tratamiento con plasma. c Los perfiles de profundidad SIMS (Si, Zr y F) para la muestra con CHF ₃ tratamiento con plasma

El cambio de la alineación de la banda en el MoS multicapa ₂ / ZrO ₂ Se cree que la interfaz está estrechamente relacionada con la capa interfacial rica en F inducida por el CHF ₃ tratamiento con plasma. La Figura 3c muestra el resultado SIMS de la muestra tratada con plasma para los elementos Zr, F y Si, presentando un pico obvio de iones F en la interfaz. Mientras tanto, algunos iones F se difundieron en el ZrO ₂ subyacente capa debido a su pequeño tamaño. En el MoS ₂ / ZrO ₂ interfaz con CHF ₃ tratamiento con plasma, el agrandamiento del VBO (reducción del CBO) se atribuye principalmente al cambio hacia arriba de los niveles centrales de Zr 3d que se muestran en la Fig. 2c, lo que indica que los iones F tienen una fuerte interacción con los átomos de Zr. Luego, los efectos de CHF ₃ tratamiento de las propiedades electrónicas del ZrO ₂ El óxido se investigó utilizando Material Studio combinado con el Paquete de Energía Total Secuencial de Cambridge (CASTEP) basado en la teoría funcional de la densidad (DFT) [26]. La aproximación de gradiente generalizada para el intercambio y el potencial de correlación propuesta por Perdew-Burk-Ernzerhof (PBE) [27] se utilizó para tratar las interacciones ion-electrón junto con el potencial de onda aumentado del proyector (PAW) [28]. La energía de corte de la onda plana se elige en 750 eV, y se utiliza una malla k Monkhorst-Pack de 1 × 1 × 1 para muestrear la zona de Brillouin en la optimización de la estructura y el cálculo de la energía total [29]. Todos los átomos se relajaron a sus posiciones de equilibrio hasta que los cambios de energía total durante la optimización finalmente convergieron a menos de 10 ⁻⁶ eV / átomo, la fuerza y ​​la tensión en cada átomo convergieron a 0.003 eV / nm y 0.05 GPa, respectivamente, y el desplazamiento convergió a 1 × 10 ⁻⁴ Nuevo Méjico. La Figura 4a, b muestra la densidad total y parcial de estados (DOS) para MoS ₂ / ZrO ₂ muestras, donde cero eV corresponde al nivel de Fermi. Obviamente, los iones F tienen una fuerte interacción con los átomos de Zr, lo que hace que parte del orbital d de los átomos de Zr que se proyecta en la banda de valencia se mueva hacia abajo alrededor de 0,76 eV desde - 0,06 a - 0,82 eV por debajo del nivel de Fermi, lo cual es consistente con la ampliación del desplazamiento de la banda de la cenefa ∆E _V ~ 0,75 eV. Los átomos de F tienden a atraer electrones debido a la gran electronegatividad (4.0) y se cargan parcialmente negativamente y luego forman dipolos con átomos de Zr, lo que eventualmente contribuye al cambio del desplazamiento de banda. Por lo tanto, la banda cambia en el MoS ₂ / ZrO ₂ interfaz introducida por CHF ₃ El tratamiento con plasma proporciona una forma prometedora de ajustar la alineación de la banda en las heterouniones, lo que facilita el diseño de los dispositivos relacionados.

La densidad total de estados calculada (TDOS) y la densidad parcial de estados (PDOS) para las muestras sin CHF ₃ tratamiento ( a ) y con CHF ₃ tratamiento ( b )