A Study on the Growth Dynamics in Large-Area Growth of Tungsten Disulfide Monolayer Using Inorganic Molecular Precursor

Abstract

Among the two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs), MoS2 receives considerable attention, but WS2 is also a good representative TMD material because of its unique physical properties, such as having the relatively high electron mobility of 400 cm2V-1s-1 theoretically, and a large valence band splitting caused by strong spin-orbit coupling and strong photoluminescence (PL). In particular, outstanding properties, such as a large band gap of 2.02 eV and strong PL caused by direct band gap, appear in monolayer. These outstanding characteristics have attracted considerable interest in the large-area and homogeneous growth of WS2 monolayer with good quality. Significant effort has been reported using several kinds of chemical vapor deposition (CVD) methods to improve the growth process for monolayer WS2, especially to achieve high crystallinity and homogeneity. Among them, tungsten oxide (WOx) and sulfur (S) powder are still considerably used as precursors in a conventional CVD process. Recent approaches to improve the homogeneity of TMD thin films use metal–organic precursors for CVD, which is called metal–organic CVD (MOCVD). In this method, generally, W(CO)6 and (C2H5)2S (DES) are used as the precursors for monolayer WS2 growth. The concentration of precursors in the reaction chamber can be precisely controlled as vaporized molecules could be introduced, owing to their relatively low melting point. On the other hand, our group presented a new CVD system using inorganic molecular precursors to obtain the 2D MoS2 film, named inorganic vapor CVD (IVCVD) recently. This approach allowed us to overcome several drawbacks of MOCVD, such as long reaction times and inevitable carbon contamination, while maintaining the advantages of MOCVD described above. Herein, I demonstrate the large-scale growth of high-quality monolayer WS2 film with outstanding homogeneity using WOCl4 and H2S by IVCVD system. The carbon-free elemental component of WOCl4 can effectively prevent carbon contamination during the growth process, and the growth rate was significantly improved to several tens of minutes. A significant part of the growth mechanism of 2D TMD materials using the CVD method is still unknown, despite its technological advancement. My comparative study with respect to MoS2 on the properties of molecular precursors and the thermodynamics of the growth reaction could extend the understanding of growth mechanisms. The optimized reaction conditions based on a systematic investigation on the effect of growth parameters facilitated the self-termination of WS2 growth at the monolayer.|2 차원 전이금속 디칼코게나이드 (TMD) 물질 중에 MoS2 가 상당한 관심을 받고 있다. WS2 도 상대적으로 높은 전자 이동성과 강력한 스핀-궤도 커플 및 강력한 광 발광에서 비롯된 큰 원자가 밴드를 갖는 것과 같은 특이한 물리적 특성 때문에 또 다른 대표적인 TMD 물질로 간주된다. 이러한 뛰어난 특성은 우수한 품질을 가진 단층 WS2 의 넓은 면적의 균질 성장에 상당한 관심을 끌었다. 특히 높은 결정성과 균질성을 달성하기 위해 단층 WS2 의 합성을 개선하기 위해 다양한 CVD 방법을 사용하여 상당한 노력을 기울였다. 이차원 WS2 을 합성하기 위해서 초기에는 WO3 와 S 파우더를 사용하는 Solid-state CVD 방법이 많이 연구되었다. TMD 박막의 균질성을 개선하기 위한 접근법으로 금속-유기 전구체를 사용하는 MOCVD 방법이 각광을 받았다. 이 방법에서는 일반적으로 WS2 성장의 전 체로 W(CO)6 과 (C2H5)2S 가 사용되며, 특히 비교적 낮은 녹는 점을 갖기 때문에 챔버로 유입되는 전구체의 유량을 비교적 정밀하게 제어가 가능하다. 이전 연구에서는 무기 분자 전구체를 사용하여 IVCVD 을 통해 이차원 MoS2 필름을 얻는 새로운 형태의 CVD 시스템을 제안했다. 이러한 접근 방식을 통해 우리는 위에서 설명한 MOCVD 의 장점을 유지하면서 긴 반응 시간과 불가피한 탄소 오염과 같은 MOCVD의 몇 가지 단점을 극복할 수 있다. 본 연구에서는 IVCVD 방법을 사용하여 WOCl4 와 H2S 를 사용하여 동질성이 뛰어난 고품질의 단층 WS2 필름의 센티미터 스케일 성장을 입증했다. 탄소가 포함되어 있지 않은 WOCl4 을 이용하여 성장 과정 중 탄소에 대한 오염을 효과적으로 제거하였으며, 수십 분의 짧은 시간에서의 합성 또한 증명하였다. CVD 방법을 사용하는 2D TMD 재료의 성장 메커니즘 중 상당 부분은 기술 발전에도 불구하고 여전히 알려져 있지 않다. 자 전구체의 특성과 성장 반응의 열역학에 관한 MoS2 에 관한 우리의 비교 연구는 성장 메커니즘에 대한 이해를 확대할 수 있다. 성장 인수의 영향에 대한 체계적인 조사에 기초한 최적화된 반응 조건은 단일 계층에서 WS2 성장의 종료를 촉진했다.