利用化学气相沉积（CVD）实现过渡金属碳化合物（TMDs）的晶片级生长，是过渡金属-氧化物-半导体（CMOS）工艺的工业应用是必不可少的方法。在TMDs的CVD过程中，含有Na和K等碱元素的促进剂通常被用于获得高质量的晶体。然而，由于污染问题，在CMOS过程中，碱元素的使用受到了严格的限制。在本研究中，我们研究了结晶紫（CV）作为钼CVD生长中的一种无碱启动子。通过光学、化学和形貌分析对其表面性质进行了深入研究，并与氢氧化钠作为代表性碱基启动剂制备的样品进行了比较。在氢氧化钠过程中观察到引起掺杂效应的钠残留物，而在CV过程中掺杂效应则可以忽略不计。后续转移过程中，氢氧化钠发生应变，会导致MoSe 2出现褶皱，而CV过程中的褶皱则可以忽略不计，表明晶体生长过程中CV的应变积累相对较小。所以CV作为一种无碱启动剂，利用CVD生长的TMDs是可行的。
引言：二维过渡金属化合物（TMDs）由于其未优异的物理性能和特殊原子层厚度引起的广大研究者的兴趣。与只可以有限尺寸样品的机械剥离法相比，化学气相沉积（CVD）使大面积研究TMDs材料成为可能，并对晶圆级器件应用成为可能。CVD生长的TMDs必须具有高结晶度、均匀性、低缺陷和残留物的特性，以便实际应用。为了通过CVD实现大面积、高度均匀的TMD单层，通常使用含有碱元素如氯化钠、氢氧化钠和氢氧化钾作为促进剂。这些促进剂有效地降低了金属前驱体的熔点，促进了单层薄片的成核和生长。然而，碱元素如Na和K作为离子污染物，在二氧化硅等绝缘层中，会作为移动载体，导致器件泄漏和不稳定。虽然在转移过程中碱元素可以被洗掉，但残留的碱元素未能完全去除。因此，碱元素严重阻碍了CVD生长的tmd在过渡金属氧化物半导体（CMOS）的应用。所以尽管碱基促进剂是实现高结晶度TMDs晶片级生长的必要添加剂，但利用无碱促进剂作为替代品的CVD工艺迫切需要开发并在CVD生长的工业中应用。
本文系统的研究了基于过乙烯-3、4、9、10-四羧酸四钾盐（PTAS）、酞菁铜（CuPc）和结晶紫（CV）等各种材料的TMDs合成促进剂。PTAS和CuPc都含有金属元素，包括K和Cu，这些元素可能是CMOS过程中的污染物，而C25N3H30Cl（CV）正是一种无金属促进剂。CV有助于硫在MoS2生长过程中吸附，并与SiO2基底形成强键。虽然CV作为无碱启动子具有很高的潜力，但与碱基启动子相比，其在TMDs CVD过程中的作用很少得到系统的研究。
在本研究中，我们通过深入的表面分析，研究比较了在CVD生长的MoSe2过程中无碱基和碱基促进剂MoSe2性能的贡献机制。采用基于液体前驱体溶液的CVD工艺合成MoSe2单分子层。 CV和氢氧化钠作为分别作为促进剂。样品在三种状态下进行了检测：生长过程（AG），湿转移过程(T)转移，以及在转移后的退火（T&A）状态。对于使用CV和氢氧化钠过程合成的每个样品状态，通过共聚焦PL和拉曼光谱（AUT-Nanobase-XperRam RF），激光波长为532 nm，40×物镜（0.75NA）对MoSe2单层样品的光学特性进行了表征。使用AFM获得表面形貌。等等其他多种检测手段进行检测。
图1。氢氧化钠和CV工艺合成的MoSe2单分子膜拉曼特性比较。(a)氢氧化钠和(b) CV过程中AG和T&A状态的拉曼映射图像。(c)比较了氢氧化钠和CV过程中AG、T和T&A态的拉曼光谱及其洛伦兹反褶积曲线。虚线：MoSe2单分子层[29]的A1g模式（241 cm?1）和E12g模式（282 cm?1）的参考线。(d)拉曼位移曲线的比较。
图1为使用氢氧化钠和CV作为促进剂合成的MoSe2单分子膜的拉曼振动模态的对比变化。MoSe2单分子膜具有A1g和E12g两种具有代表性的声子模，分别为掺杂相关（平面外振动）和应变相关（平面内振动）模。图1a和图b分别显示了氢氧化钠和CV作为促进剂合成过程中的与掺杂相关的A1g模式和与应变相关的E12g模式的拉曼映射图像。在氢氧化钠作为促进剂时，A1g模式从AG状态到T&A状态的转变是明显的。而E12g模式则在CV过程中意义显著，这将使用图1d中进一步讨论。图1c为AG、T、T&A态的拉曼光谱及其反卷积曲线。氢氧化钠工艺的A1g和E12g分别在240 cm-1和286 cm-1，而CV工艺的表现分别在238 cm-1和284 cm-1。这些结果可与典型的MoSe2拉曼光谱相比较，图2c中的虚线显示（机械剥离的MoSe2单分子层A1g（241 cm-1）和E12g（282 cm-1）模式）。图2d总结了A1g和E12g模式的峰值位置。与虚线相比，两种过程的A1g峰红移，E12g峰蓝移。这是因为在CVD的热生长过程中，前驱体残基和薄膜与基质之间的强相互作用而导致的掺杂和应变效应，产生的显著拉曼模变化。在氢氧化钠和CV过程中，与应变相关的E12g模式从AG到T&A状态发生蓝移，这归因于拉伸应变松弛的结果。生长过程中AG状态下累积的拉伸应变在转移后会松弛，导致T&A状态下的相对压缩应变。值得注意的是，在CV过程中，与掺杂相关的A1g模式在所有状态之间的移动可以忽略不计，而在氢氧化钠过程中，A1g模式从AG到T和T&A状态的蓝移是显著的（~0.8 cm-1）（图2d，顶部）。这是由于AG态中Na残基的相对n掺杂。由于水溶性Na元素的存在，在T&A过程后对AG状态的影响减少。可知，在氢氧化钠过程中，由于残留的Na元素，会产生明显的掺杂效应，而在CV过程中则是可以忽略的。
通过多种检测手段，本文系统地研究了氢氧化钠和CV作为促进剂对CVD法合成的MoSe2单分子膜表面性能的影响。通过转移过程和后退火来去除表面上残留的残留物。通过PL和拉曼光谱对样品进行了AG、T和T&A状态的分类，比较分析了氢氧化钠和CV过程中MoSe2表面的光学性质。在氢氧化钠和CV过程中，由于生长过程中与基底的相互作用和加热，应变在MoSe2层中积累；但在氢氧化钠过程中，应变效应和褶皱形成是显著的。此外，在氢氧化钠过程中观察到用于生长的Na元素的n掺杂效应，在转移和后退火过程后消失。相反，在CV过程中，所有AG、T和T&A状态的掺杂效应均无明显变化。FETs的电转移特性表明，CV过程的迁移率和开关比略优于氢氧化钠过程。这归因于由氢氧化钠过程引起的应变效应和皱纹，如上所述。我们的研究结果表明，CV促进剂可以在CMOS过程中作为氢氧化钠的替代品，这是一种典型的无碱基促进剂。
文章信息：该成果以“Crystal violet as CMOS-compatible alkali-free promoter for CVD growth of MoSe2 monolayers: Comparative surface analysis with alkali-based promoter”为题发表在知名期刊 Current Applied Physics上。
本研究采用的是AUT-Nanobase-XperRam RF共聚焦显微拉曼光谱仪系统。文中的拉曼和荧光数据皆出自本仪器。
如果您对拉曼显微共聚焦光谱仪有兴趣，请访问上海昊量光电的官方网页：
https://www.auniontech.com/three-level-166.html
欢迎继续关注上海昊量光电的各大媒体平台，我们将不定期推出各种产品介绍与技术新闻。
更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电
关于昊量光电：
上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。
您可以通过我们昊量光电的官方网站www.auniontech.com了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532。
展示全部 
