Alineación precisa de bandas de MoS₂ 2D en heterouniones β-Ga₂O₃ 3D: Impacto de la nitruración

Resumen

Las heterouniones híbridas basadas en materiales bidimensionales (2D) y tridimensionales (3D) convencionales proporcionan una vía prometedora hacia dispositivos nanoelectrónicos con características diseñadas. En este trabajo, investigamos la alineación de bandas de una heterounión de dimensiones mixtas compuesta por MoS₂ transferido sobre β-Ga₂O₃(2-01) con y sin nitruración. Los desfasajes de banda de conducción y valencia para heterounión 2D-MoS₂/3D-β-Ga₂O₃ sin nitrurar se determinaron en 0,43 ± 0,1 y 2,87 ± 0,1 eV respectivamente. Para la heterounión nitrurada, los desfasajes de conducción y valencia se dedujeron a 0,68 ± 0,1 y 2,62 ± 0,1 eV respectivamente. La alineación de bandas modificada podría resultar del dipolo formado por transferencia de carga a través de la interfaz heterounión. El efecto de la nitruración en las alineaciones de bandas entre óxidos grupo III y dicloruros metales transición suministrará rutas técnicas factibles para diseñar dispositivos electrónicos y optoelectrónicos basados en heterouniones.

Introducción

El óxido de galio beta (β-Ga₂O₃) ha atraído considerable interés por sus propiedades materiales superiores. Con banda prohibida ultra-ancha (4,6-4,9 eV), el campo eléctrico teórico de ruptura (E_C) se estima ~8 MV/cm. Combinado con su alta constante dieléctrica relativa (ε) y movilidad electrónica (μ), la figura de mérito Baliga (εμE_C³) es triple que GaN o SiC, reduciendo significativamente pérdidas conducción. Además, disponibilidad grandes cristales simples bulk sintetizados vía crecimiento fusión y técnicas epitaxiales entrega ventajas significativas aplicaciones industriales. Hasta ahora, β-Ga₂O₃ demostrado en amplia gama aplicaciones electrónicas: diodos emisión luz, sensores gas, fotodetectores, transistores efecto campo. Muy recientemente, heterouniones híbridas, integración materiales 2D con 3D, son de particular interés por propiedades complementarias sus sistemas materiales.

Hasta la fecha, diversos materiales 2D estratificados se han apilado sobre semiconductores banda prohibida ancha para construir heterouniones híbridas para aplicaciones novedosas con funcionalidades variables, como MoS₂/GaN, WSe₂/GaN, MoS₂/SiC, etc. Estructuralmente, cristal MoS₂ compuesto por capa atómica Mo entre dos capas azufre, formando triláyer hexagonal 2D unido a capas vecinas por débiles fuerzas van der Waals. A diferencia grafeno con banda prohibida cero, la modulación banda prohibida dependiente espesor motivó exploración MoS₂ en dispositivos ópticos y eléctricos. Basado en física MoS₂, densidad estados MoS₂ pocas capas es tres órdenes magnitud mayor que monocapa (SL) MoS₂, llevando altas corrientes impulso límite balístico. En este contexto, MoS₂ pocas capas puede entregar ventajas significativas aplicaciones transistor que SL MoS₂. Así, integración MoS₂ con β-Ga₂O₃ es de gran interés para combinar méritos respectivos ambos materiales 2D y 3D establecidos. Las propiedades ópticas y eléctricas heterouniones híbridas son inherentemente dominadas por alineación banda energética interfacial. Consecuentemente, es muy deseable tener alineaciones bandas ajustables para mejorar rendimiento dispositivos basados heterouniones. En este trabajo, investigamos alineación bandas heterouniones 2D-MoS₂/3D-β-Ga₂O₃ con y sin tratamiento nitruración via espectroscopía fotoelectrónica rayos X (XPS) y cálculos primeros principios.

Métodos

Sustrato SiO₂/Si ultrasonidado con acetona e isopropanol 10 min cada uno, seguido enjuague agua desionizada y secado N₂. Películas MoS₂ pocas capas crecidas en sustrato SiO₂/Si por deposición vapor químico (CVD) usando precursores MoO₃ (0,08 mg, 99%, Alfa Aesar) y polvo S (1 g, 99%). MoO₃ y polvo S colocados en dos crisoles separados con sustrato SiO₂/Si en tubo cuarzo, como Fig. 1a. Durante crecimiento, tubo cuarzo mantenido 800 °C para crecimiento película MoS₂ dentro 5 min. Fig. 1b muestra imagen microscópica óptica película MoS₂ uniforme en sustrato SiO₂/Si. Tras crecimiento película MoS₂, transferida a sustrato β-Ga₂O₃ (Tamura Corporation, Japón) vía método asistido PMMA, como Fig. 1c. Durante transferencia, PMMA primero centrifugado en película MoS₂ crecida como capa soporte, luego muestras sumergidas solución KOH para grabar capa SiO₂. Posteriormente, capa PMMA con película MoS₂ flotaría en solución, tras lo cual muestra enjuagada agua desionizada 1 min eliminar K⁺ residual y transferida sobre sustrato β-Ga₂O₃. Finalmente, capa PMMA superior removida con acetona. Para heterounión MoS₂/β-Ga₂O₃ nitrurada, nitruración implementada en superficie β-Ga₂O₃ con 50s plasma N₂ a presión 3 Pa previo transferencia MoS₂. Potencia RF y flujo N₂ 100 W y 80 sccm respectivamente. Como resultado, cuatro muestras preparadas medidas XPS: (1) sustrato β-Ga₂O₃ sin recubrir (bulk β-Ga₂O₃), (2) película MoS₂ pocas capas en sustrato SiO₂/Si (MoS₂ pocas capas), (3) película MoS₂ transferida en sustrato β-Ga₂O₃, (4) película MoS₂ transferida en sustrato β-Ga₂O₃ nitrurado.

Resultados y Discusiones

Espectroscopía Raman empleada investigar calidad película MoS₂ pocas capas y verificar números capas relevantes. Espectros Raman película MoS₂ antes y después transferencia presentados Fig. 2, caracterizados por RENISHAW inVia Raman. Dos modos Raman característicos observados ~381,91 cm⁻¹ y 405,84 cm⁻¹, correspondientes modo en-plano (E_2g¹) y fuera-plano (A_1g) respectivamente. Comparado con película MoS₂ crecida, casi no hay desplazamiento Raman en E_2g¹ y A_1g tras transferencia, indicando MoS₂ sin daño tras transferencia. Pico 412,99 cm⁻¹ tras transferencia proviene sustrato β-Ga₂O₃, consistente reportes previos. Diferencia frecuencia entre E_2g¹ y A_1g deducida ~23,93 cm⁻¹, designando cuatro capas película MoS₂ pocas capas. Además, como recuadro Fig. 2, espesor película MoS₂ verificado ~3 nm (alrededor cuatro capas) por microscopio electrónico transmisión alta resolución (HRTEM), en buen acuerdo con espectros Raman. Fig. 3a muestra pico alta intensidad N 1s detectado sustrato β-Ga₂O₃ nitrurado, sugiriendo presencia nitrógeno. Fig. 3b perfiles SIMS heterounión MoS₂/β-Ga₂O₃ con nitruración, donde señales componentes principales representados Mo, N, Ga trazados contra profundidad. Se observa pico N ubicado en interfaz MoS₂/β-Ga₂O₃, y dispersión N en sustrato β-Ga₂O₃ podría contribuirse por inyección N en capa subyacente durante tratamiento plasma o bombardeo haz primario. Perfil Ga mayor en capa MoS₂ que sustrato β-Ga₂O₃ probablemente proviene diferente rendimiento ión en diferente matriz material. Además, cola Mo en β-Ga₂O₃ podría atribuirse difusión o problema resolución profundidad, causado por bombardeo haz primario.

Para obtener alineaciones bandas heterouniones MoS₂/β-Ga₂O₃, medidas XPS con paso 0,05 eV realizadas en sistema VG ESCALAB 220i-XL con fuente rayos X Al Kα monocromática (hν = 1486,6 eV). Energía paso constante 20 eV. Además, C 1s estándar (284,8 eV) usado calibración energía enlace (BE). Para evaluar desfasaje banda valencia (VBO) interfaz MoS₂/β-Ga₂O₃, niveles núcleo (CL) Mo 3d y Ga 3d usados para MoS₂ pocas capas y β-Ga₂O₃ respectivamente. Fig. 4a muestra barrido estrecho XPS Mo 3d y espectros banda valencia MoS₂ pocas capas. Diferencia energía enlace (BED) entre CL Mo 3d_5/2 y máximo banda valencia (VBM) MoS₂ calculada 228,59 ± 0,1 eV. Fig. 4b: BE Ga 3d CL y VBM β-Ga₂O₃ pocas capas deducidos 20,25 ± 0,05 y 3,23 ± 0,05 eV respectivamente. BED correspondiente determinado 17,02 ± 0,1 eV, consistente reportado Sun et al. Fig. 4c muestra espectros XPS medidos Mo 3d y Ga 3d CL para heterouniones MoS₂/β-Ga₂O₃ con/sin nitruración. Se nota CL Mo 3d_5/2 desplazado 228,95 ± 0,05 eV heterounión sin nitrurar hacia 229,60 ± 0,05 eV heterounión nitrurada, mientras CL Ga 3d desplazado 20,25 ± 0,05 a 20,65 ± 0,05 eV. Basado en método Kraut, desfasaje banda valencia (VBO, ∆E_V) heterouniones MoS₂ pocas capas/β-Ga₂O₃ calculado según ecuación: ∆E_V = (E_{Mo 3d5/2}^MoS2 - E_VBM^MoS2) - (E_{Ga 3d}^Ga2O3 - E_VBM^Ga2O3) - ∆E_CL, donde ∆E_CL = (E_{Mo 3d5/2}^MoS2 - E_{Ga 3d}^Ga2O3) diferencia energía enlace entre Mo 3d_5/2 y Ga 3d CL para heterouniones. Por tanto, ∆E_V MoS₂ sobre sustrato β-Ga₂O₃ con y sin tratamiento plasma N₂ calculado 2,62±0,1 y 2,87 ± 0,1 eV respectivamente.

Fig. 4d muestra espectros pérdida energía CL O 1s sustratos β-Ga₂O₃ con y sin nitruración. Se nota banda prohibida permanece inalterada tras nitruración con valor 4,70 ± 0,1 eV. Así, desfasaje banda conducción extraído: ∆E_C = E_g^Ga2O3 - E_g^MoS2 - ∆E_V, donde E_g^Ga2O3 y E_g^MoS2 son bandgaps β-Ga₂O₃ y MoS₂ pocas capas. Bandgap 1,4 ± 0,1 eV MoS₂ pocas capas usado. Según Eq. (2), ∆E_C entre MoS₂ y β-Ga₂O₃ con y sin nitruración deducidos 0,68 ± 0,1 y 0,43 ± 0,1 eV respectivamente. Diagramas bandas calculados heterouniones sin/con nitruración mostrados Fig. 5(a) y 5(b).

Luego, estructuras electrónicas heterouniones nitrurada y sin nitrurar examinadas mediante paquete simulación ab initio Vienna (VASP) basado teoría funcional densidad (DFT). Aproximación gradiente generalizada (GGA) parametrización Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) adoptada función intercambio-correlación. Usamos correcciones dispersión DFT-D3 para describir interacciones van der Waals (vdW) larga distancia. Método pseudopotencial onda aumentada proyector (PAW) usado describir interacción núcleo-valencia con corte energía cinética 650 eV expansión onda plana. Empleamos malla k 4×4×1 centrada G para relajación estructural celda unitaria, menor espaciado entre k-puntos 0,04 Å⁻¹, suficientemente preciso por prueba convergencia respecto número k-puntos. Umbrales convergencia 10⁻⁴ eV diferencias energía sistema y 10⁻² eV Å⁻¹ fuerza Hellman-Feynman. Eliminar interacciones artificiales entre capas atómicas adyacentes, espesor capa vacío ~15 Å. Valores propios heterouniones verificados por cálculos funcional híbrido Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06), que mejoran precisión valores propios reduciendo errores localización y deslocalización funcionales PBE y Hartree-Fock (HF). Ratio mezcla 25% intercambio HF corto alcance. Parámetro pantalla 0,2 Å⁻¹.

Heterouniones MoS₂/β-Ga₂O₃ construidas como Fig. 6a. Método relación energía enlace universal (UBER), que proporciona forma universal simple relación entre energía enlace y separación atómica, aplicado determinar estructura energéticamente estable antes cálculo estructura electrónica. Varias distancias intercapas consideradas y energía adhesión superficial W_ad heterouniones mostradas: W_ad = (E_Ga2O3 + E_MoS2 - E_Ga2O3/MoS2)/A, donde A área interfaz, E_Ga2O3, E_MoS2, E_Ga2O3/MoS2 energías totales β-Ga₂O₃, monocapa MoS₂ y heterounión MoS₂/β-Ga₂O₃ respectivamente. Una vez W_ad alcanza máximo, distancia intercapas óptima obtenida. Tras optimizaciones estructurales, átomo nitrógeno dopado sustitucionalmente en heterounión original MoS₂/β-Ga₂O₃, como Fig. 6b. Concentración nitrógeno cálculo DFT ~4,17%, cercano a experimental (3,61%). Estructuras electrónicas ambas heterouniones nitrurada y sin nitrurar calculadas Fig. 6c y d. Se observaron estados mid-gap introducidos, que pueden mejorar transferencia carga a través interfaz MoS₂/β-Ga₂O₃, y dipolo interfaz resultante contribuyó al desplazamiento energía enlace medido. Además, desfasajes banda conducción calculados ∆E_C (∆E_C = E_CB^MoS2 - E_CB^Ga2O3) para heterouniones β-Ga₂O₃/MoS₂ sin dopar y dopadas son 0,82 y 1,0 eV respectivamente, mostrando misma tendencia resultados experimentales. También calculamos valores propios E_CB^MoS2 y E_CB^Ga2O3 usando método HSE06 confirmar conclusión, encontrando ∆E_C corregidos 0,87 y 1,08 eV para heterouniones β-Ga₂O₃/MoS₂ sin dopar y dopadas respectivamente.

Conclusiones

En conclusión, respectivas películas MoS₂ transferidas sobre β-Ga₂O₃ sin nitrurar y nitrurado para construir heterouniones MoS₂/β-Ga₂O₃. Espectroscopía Raman usada investigar calidad película MoS₂ transferida, y estudio SIMS realizado sondear perfiles profundidad elemento heterounión MoS₂/β-Ga₂O₃ con nitruración. VBOs determinados 2,62 ± 0,1 eV heterounión MoS₂/β-Ga₂O₃ nitrurada y 2,87 ± 0,1 eV sin nitrurar por XPS respectivamente. Resultantes CBOs deducidos 0,68 ± 0,1 y 0,43 ± 0,1 eV, misma tendencia cálculos DFT. Estos hallazgos demuestran que desfasajes bandas pueden modificarse vía proceso nitruración superficie. Este estudio ofrece perspectivas gloriosas implementación dispositivos electrónicos diseñados basados en heterouniones verticales 2D/3D.