Onderzoek van de energieband bij de molybdeendisulfide- en ZrO2-heterojuncties

Resultaten en discussies

De Raman-spectra van de als gegroeide en daarna overgebrachte meerlaagse MoS₂ werden gekarakteriseerd bij kamertemperatuur zoals weergegeven in Fig. 1. Twee prominente Raman-modi gelabeld als A _1g en \( {\mathrm{E}}_{2g}^1 \) werden waargenomen in het spectrum. In het bijzonder is de \( {E}_{2g}^1 \)-modus het gevolg van de tegenovergestelde beweging van S-atomen in het vlak ten opzichte van het centrale Mo-atoom in het lagere frequentiegebied, terwijl A _1g is relatief ten opzichte van de out-of-plane trillingen van S-atomen in het hogere frequentiegebied [21]. Er is waargenomen dat de \( {\mathrm{E}}_{2g}^1 \) en A _1g modi van MoS₂ ondergaan respectievelijk een roodverschuiving en blauwverschuiving van monolaag- naar bulkmonsters, wat te wijten is aan de verschillende tussenlaag van Van der Waals-herstelkracht en de invloed van door stapeling geïnduceerde structuurveranderingen [21]. Daarom is het frequentieverschil (Δk) tussen de A _1g en \( {\mathrm{E}}_{2g}^1 \) modi wordt vaak gebruikt om het laagnummer of de dikte van MoS₂ te evalueren film. Hierin, Δk van de gegroeide MoS₂ film is ongeveer 25,32 cm ⁻¹ , wat aangeeft dat de film uit meer dan zes lagen bestaat. Bovendien toonde het resultaat van de transversale transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) weergegeven in de inzet van figuur 1 het laagnummer van de gegroeide MoS₂ was ongeveer 8 overeenkomend met de dikte van ongeveer 4,5 nm. Wat meer is, de Raman-piekpositie en volledige breedte op half maximum (FWHM) van MoS₂ is bijna hetzelfde voor en na overdracht, wat aangeeft dat het overdrachtsproces een kleine invloed heeft op de kwaliteit van het materiaal.

De Raman-spectroscopie van de ultradunne MoS₂ film voor en na de overdracht. De inzet is het transversale transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beeld van de MoS₂ op ZrO₂ /Si-substraat, dat de lagen van MoS₂ . toont

Het is diepgaand bewezen dat XPS een efficiënte manier is om de bandoffset op de heterojunctie-interface te bepalen [22, 23]. In MoS₂ /ZrO₂ heterojunctie, werd de VBO-waarde verkregen uit de verandering van de valentiebandspectra van de ZrO₂ tussen die van het kale oxide en met MoS₂ materiaal [24]. Afbeelding 2a, b toonde het kernniveau en de volantbandspectra van kale ZrO₂ en multilayer-MoS₂ /ZrO₂ , respectievelijk. Het snijpunt tussen de basislijn en de helling van de voorrand geeft het valentiebandmaximum (VBM) van het monster, waarbij het Fermi-niveau als referentieniveau wordt genomen. De resultaten toonden aan dat de VBM van ZrO₂ en multilayer-MoS₂ /ZrO₂ systemen zijn respectievelijk ongeveer 1,88 eV en 0,06 eV. Bovendien is het Zr 3d core-level spectrum van kale ZrO₂ vertoont goed gescheiden doublet-pieken waarnaar wordt verwezen als Zr 3d_5/2 en 3d_3/2 met energiewaarden van respectievelijk 182,05 eV en 184,45 eV, terwijl de overeenkomstige waarden voor de MoS₂ /ZrO₂ voorbeeld zijn respectievelijk 182,10 eV en 184,50 eV. De verandering op kernniveau van Zr 3d_5/2 of 3d_3/2 ~ 0,05 eV valt binnen het bereik van meet- en gegevensverwerkingsfouten. In vergelijking met kale ZrO₂ voorbeeld, meerlaagse MoS₂ oefende weinig effecten uit op het Zr 3d-spectrum, zoals weergegeven in figuur 2b. Dan is het energieverschil tussen de Zr 3d_5/2 en VBM is 180,17 eV en 182,04 eV voor de kale ZrO₂ voorbeeld en MoS₂ /ZrO₂ monster, respectievelijk. Bijgevolg is de VBO-waarde voor de multilayer-MoS₂ /ZrO₂ interface is ongeveer 1,87 ± 0,05 eV, voornamelijk het gevolg van het VBM-verschil tussen de kale ZrO₂ en MoS₂ /ZrO₂ . Evenzo, voor de meerlaagse MoS₂ /ZrO₂ monster met CHF₃ plasmabehandeling vóór MoS₂ overdracht, is de VBM ongeveer 0,02 eV zoals weergegeven in figuur 2c, bijna identiek aan het monster zonder CHF₃ behandeling. Het Zr 3d-spectrum beweegt echter met ongeveer 0,75 eV naar hogere energie, Zr 3d_5/2 ~ 182.85 eV en 3d_3/2 ~185,25 eV, wat aangeeft dat de VBO-waarde was vergroot met ongeveer 0,75 ± 0,04 eV na plasma-etsen. Vervolgens wordt de CBO-waarde ∆E _C kan worden verkregen volgens de formule

waar E _{G , ZrO 2} en E _{G , MoS 2} zijn de band gap van ZrO₂ en MoS₂ , respectievelijk, en ∆E _V komt overeen met de VBO-waarde. Normaal gesproken kan de bandafstand-energie van oxide-isolator worden verkregen uit het O 1 s-verliesenergiespectrum [25]. Figuur 3a toont het O 1 s-verliesenergiespectrum van ZrO₂ , en de E _{G , ZrO 2} is ongeveer 5,56 eV berekend op basis van het energieverschil door de lineaire randbasislijn (535,95 eV) te extrapoleren die past bij de kernniveau-energie van Zr-O-bindingen (530,39 eV). De band gap van MoS₂ in dit werk is ongeveer 1,2 eV. Daarom is de CBO-waarde voor het monster zonder CHF₃ behandeling is ongeveer 2,49 eV en 1,74 eV voor het monster met CHF₃ behandeling. Vervolgens de schematische structuren van de band-engineering voor de samples zonder en met CHF₃ plasmabehandeling worden geïllustreerd in Fig. 3b. Het is duidelijk dat de multilayer-MoS₂ /ZrO₂ systeem heeft een type I-uitlijning, wat elektronen en gaten vergemakkelijkt die zijn opgesloten in de MoS₂ . Ondertussen is de grote ∆E _C en ∆E _V voor MoS₂ /ZrO₂ interface houdt in dat ZrO₂ zou een goed poortdiëlektricum kunnen zijn voor n- of p-kanaals meerlagige MoS₂ -gebaseerde FET's-toepassing in termen van gate-lekstroomonderdrukking. Bovendien heeft het monster met plasmabehandeling een hogere VBO ∆E _V (lagere CBO ∆E _C ) in vergelijking met het monster zonder plasmabehandeling, wat beter is bij de toepassing van p-kanaal FET's.

Het kernniveau Zr 3d en valentiebandspectra voor a kale ZrO₂ oxide, b meerlaags-MoS₂ /ZrO₂ voorbeeld, en c CHF₃ met plasma behandeld meerlaags-MoS₂ /ZrO₂ voorbeeld

een O 1's foto-elektron energieverlies spectra voor de ZrO₂ oxyde. b De schematische structuur van de uitlijning van de energieband bij de MoS₂ /ZrO₂ interface zonder (boven) en met (onder) CHF₃ plasmabehandeling. c De SIMS-diepteprofielen (Si, Zr en F) voor het monster met CHF₃ plasmabehandeling

De verandering van de banduitlijning bij de meerlaagse MoS₂ /ZrO₂ wordt aangenomen dat het grensvlak nauw verwant is aan de F-rijke grenslaag die wordt geïnduceerd door de CHF₃ plasmabehandeling. Afbeelding 3c toonde het SIMS-resultaat van het met plasma behandelde monster voor Zr-, F- en Si-elementen, met duidelijke F-ionenpiek op het grensvlak. Ondertussen werden enkele F-ionen verspreid in de onderliggende ZrO₂ laag vanwege zijn kleine formaat. Op de MoS₂ /ZrO₂ interface met CHF₃ plasmabehandeling, wordt de vergroting van de VBO (reductie van de CBO) voornamelijk toegeschreven aan de opwaartse verschuiving van Zr 3d-kernniveaus getoond in Fig. 2c, wat aangeeft dat F-ionen een sterke interactie hebben met Zr-atomen. Dan de effecten van CHF₃ behandeling van de elektronische eigenschappen van de ZrO₂ oxide werden onderzocht met behulp van Material Studio in combinatie met het Cambridge Sequential Total Energy Package (CASTEP) op basis van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) [26]. De gegeneraliseerde gradiëntbenadering voor het uitwisselings- en correlatiepotentieel zoals voorgesteld door Perdew-Burk-Ernzerhof (PBE) [27] werd gebruikt om de ion-elektron-interacties samen met de projector versterkte golfpotentiaal (PAW) [28] te behandelen. De afsnijenergie van de vlakke golf wordt gekozen op 750 eV, en een Monkhorst-Pack k-mesh van 1 × 1 × 1 wordt gebruikt om de Brillouin-zone te bemonsteren in de structuuroptimalisatie en totale energieberekening [29]. Alle atomen waren ontspannen tot hun evenwichtsposities totdat de totale energieveranderingen tijdens de optimalisatie uiteindelijk convergeerden naar minder dan 10 ⁻⁶ eV/ atoom, de kracht en spanning op elk atoom werd geconvergeerd naar respectievelijk 0,003 eV/nm en 0,05 GPa, en de verplaatsing werd geconvergeerd naar 1 × 10 ⁻⁴ nm. Afbeelding 4a, b toont de totale en partiële dichtheid van toestanden (DOS) voor beide MoS₂ /ZrO₂ monsters, waarbij nul eV overeenkomt met het Fermi-niveau. Het is duidelijk dat F-ionen een sterke interactie hebben met Zr-atomen, waardoor een deel van de d-orbitaal van Zr-atomen die naar de valentieband wordt geprojecteerd, ongeveer 0,76 eV naar beneden beweegt van -0,06 tot -0,82 eV onder het Fermi-niveau, wat in overeenstemming is met de vergroting van de volantband offset ∆E _V ~ 0,75 eV. F-atomen hebben de neiging om elektronen aan te trekken vanwege de grote elektronegativiteit (4.0) en worden gedeeltelijk negatief geladen en vormen vervolgens dipolen met Zr-atomen, en dragen uiteindelijk bij aan de verandering van de bandoffset. Daarom verandert de band op de MoS₂ /ZrO₂ interface geïntroduceerd door de CHF₃ plasmabehandeling biedt een veelbelovende manier om de banduitlijning bij de heterojuncties aan te passen, wat het ontwerp van de gerelateerde apparaten vergemakkelijkt.

De berekende totale toestandsdichtheid (TDOS) en gedeeltelijke toestandsdichtheid (PDOS) voor de monsters zonder CHF₃ behandeling (a ) en met CHF₃ behandeling (b )