2차원(2D) 및 기존의 3차원(3D) 재료를 기반으로 하는 하이브리드 이종접합은 엔지니어링된 기능을 갖춘 나노전자 장치에 대한 유망한 방법을 제공합니다. 이 작업에서 우리는 전송된 MoS2로 구성된 혼합 차원 이종 접합의 밴드 정렬을 조사했습니다. β-Ga2에서 O3 (\( 2- \)01) 질화 유무. 질화되지 않은 2D-MoS2에 대한 전도 및 가전자대 오프셋 /3D-β-Ga2 O3 이종 접합은 각각 0.43 ± 0.1 및 2.87 ± 0.1 eV로 결정되었습니다. 질화 이종 접합의 경우 전도대 및 가전자대 오프셋은 각각 0.68 ± 0.1 및 2.62 ± 0.1 eV로 추론되었습니다. 수정된 밴드 정렬은 이종 접합 계면을 가로지르는 전하 이동에 의해 형성된 쌍극자로부터 발생할 수 있습니다. III족 산화물과 전이 금속 디칼코게나이드 사이의 밴드 정렬에 대한 질화의 효과는 이종 접합 기반 전자 및 광전자 장치를 설계하기 위한 실행 가능한 기술 경로를 제공할 것입니다.
<섹션 데이터-제목="배경">베타 갈륨 산화물(β-Ga2 O3 ) 우수한 재료 특성으로 인해 상당한 관심을 받았습니다[1, 2]. 초광대역 밴드갭(4.6–4.9 eV)으로 이론적인 항복 전계(E C )는 약 8MV/cm[3, 4]로 추정됩니다. 높은 상대 유전 상수(ε) 및 전자 이동도(μ)와 결합하여 Baliga의 성능 지수(\( \upvarepsilon \upmu {E}_C^3 \))는 GaN 또는 SiC의 3배이며 전도 손실을 줄입니다. 상당히[1]. 또한, 용융 성장 및 에피택셜 기술을 통해 합성된 대형 벌크 단결정의 가용성은 산업 응용 분야에 상당한 이점을 제공합니다[5, 6]. 지금까지 β-Ga2 O3 발광 다이오드, 가스 센서, 광검출기 및 전계 효과 트랜지스터를 포함한 광범위한 전자 응용 분야에서 잘 입증되었습니다[7,8,9,10]. 매우 최근에 하이브리드 이종접합, 즉 2차원(2D) 재료와 3차원(3D) 재료의 통합은 재료 시스템의 상보적 특성으로 인해 특히 관심을 받고 있습니다[11].
지금까지 MoS2와 같은 다양한 기능을 가진 새로운 응용 분야를 위한 하이브리드 이종 접합을 구성하기 위해 다양한 2D 적층 재료가 와이드 밴드갭 반도체에 적층되었습니다. /GaN, WSe2 /GaN, MoS2 /SiC 등 [12,13,14,15]. 구조적으로 MoS2 결정은 두 개의 황 층 사이에 끼인 Mo 원자 층으로 구성되어 약한 반 데르 발스 힘에 의해 인접 층에 결합되는 2차원 육각형 삼중층을 형성합니다[16, 17]. 밴드갭이 0인 그래핀과 달리 밴드갭의 두께 의존적 변조는 MoS2 탐사에 동기를 부여했습니다. 광학 및 전기 장치 [18, 19]. MoS2의 물리학 기반 , 소수층 MoS2의 상태 밀도 단층(SL) MoS보다 3배 더 높음2 , 탄도 한계에서 높은 구동 전류로 이어집니다. 이러한 맥락에서, 소수층 MoS2 SL MoS2보다 트랜지스터 애플리케이션에 상당한 이점을 제공할 수 있습니다[18]. 따라서 MoS2의 통합 β-Ga2 포함 O3 기존의 2D와 3D 소재의 각각의 장점을 결합하여 큰 관심을 받고 있습니다. 그리고 하이브리드 이종 접합의 광학 및 전기적 특성은 본질적으로 계면 에너지 밴드 정렬에 의해 지배됩니다. 결과적으로, 이종접합 기반 장치의 성능을 향상시키기 위해 조정 가능한 밴드 정렬을 갖는 것이 매우 바람직합니다. 이 작업에서 우리는 2D-MoS2의 밴드 정렬을 조사했습니다. /3D-β-Ga2 O3 X선 광전자 분광법(XPS) 특성화 및 첫 번째 원리 계산을 통한 질화 처리 유무에 따른 이종 접합
SiO2 /Si 기판을 각각 10분 동안 아세톤 및 비소프로판올로 초음파 처리한 후 탈이온수로 헹구고 N2로 건조 . 소수 계층 MoS2 필름은 SiO2에서 성장했습니다. MoO3의 전구체를 사용한 화학 기상 증착(CVD)에 의한 /Si 기판 (0.08 mg, 99%, Alfa Aesar) 및 S 분말(1 g, 99%) [20, 21]. MoO3 및 S 분말을 SiO2가 있는 두 개의 별도 도가니에 넣었습니다. /Si 기판은 그림 1a와 같이 석영관에 있습니다. 성장 과정에서 석영 튜브는 MoS2에 대해 800°C에서 유지되었습니다. 5분 이내의 필름 성장 그림 1b는 균일한 MoS2의 광학 현미경 이미지를 표시합니다. SiO2의 필름 /Si 기판. MoS2의 성장 이후 필름, 그것은 β-Ga2로 전송될 것입니다 O3 (Tamura Corporation, Japan) PMMA 보조 방법을 통한 기판, [22] 그림 1c에 스케치된 대로. 전송 과정에서 PMMA는 먼저 성장한 MoS2에 스핀 코팅되었습니다. 필름을 지지층으로 사용한 다음 샘플을 KOH 용액에 담가 SiO2를 에칭 제거합니다. 층. 그 후, MoS2가 있는 PMMA 레이어 필름이 용액 위에 뜨고, 그 후 샘플을 탈이온수로 1분 동안 헹구어 잔류 K + 를 제거합니다. β-Ga2로 추가 전송 O3 기질. 마지막으로, 상단 PMMA 층은 아세톤으로 제거됩니다. 질화 MoS2의 경우 /β-Ga2 O3 heterojunction, 질화가 β-Ga2에 구현되었습니다. O3 50초 N2의 표면 MoS2 이전에 3 Pa의 압력에서 플라즈마 처리 옮기다. RF 전력 및 N2 유속은 각각 100W 및 80sccm였습니다. 결과적으로 XPS 측정을 위해 4개의 샘플이 준비되었습니다. (1) 코팅되지 않은 β-Ga2 O3 기질(벌크 β-Ga2 O3 ), (2) 소수층 MoS2 SiO2의 필름 /Si 기판(소층 MoS2 ), (3) 전송된 MoS2 β-Ga2의 필름 O3 기질, (4) 전사된 MoS2 질화 β-Ga2의 필름 O3 기질.
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아 MoS2의 CVD 성장을 위한 실험 설정의 개략도 . ㄴ 성장한 소수층 MoS2에 대한 광학 이미지 SiO2의 필름 /Si 기판. ㄷ MoS2에 대한 PMMA 지원 습식 전사 방법의 공정 흐름 /β-Ga2 O3 이종 접합 형성
라만 분광법을 사용하여 소수층 MoS2의 품질을 조사했습니다. 관련 레이어 번호를 확인하는 것뿐만 아니라 필름. MoS2의 라만 스펙트럼 전사 전과 후의 필름이 그림 2에 나와 있으며, 이는 RENISHAW inVia Raman 분광법으로 특성화되었습니다. 381.91cm −1 부근에서 두 가지 특징적인 라만 모드를 관찰할 수 있습니다. 및 405.84cm −1 , 평면 내(\( {E}_{2g}^1 \)) 모드 및 평면 외(A 1g ) 모드, 각각 [23, 24]. 성장한 MoS2와 비교 필름, \( {E}_{2g}^1 \) 및 A에서 라만 이동이 거의 없습니다. 1g 손상되지 않은 MoS2를 나타내는 전송 프로세스 후 모드 전송 프로세스 후. 412.99cm −1 에서 피크 전송 프로세스 후 β-Ga2 O3 이전 보고서 [25]와 일치하는 기질. \( {E}_{2g}^1 \)와 A 사이의 주파수 차이 1g 모드는 약 23.93cm −1 로 추정되었습니다. , 소수 계층 MoS2의 4개 레이어 지정 영화 [26]. 또한, Fig. 2의 삽입도에서 보는 바와 같이 MoS2의 두께는 필름은 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM)에 의해 대략 3nm(약 4개 층)인 것으로 확인되었으며, 이는 당사의 라만 스펙트럼과 잘 일치합니다. 도 3a에서 질화물 β-Ga2로부터 N 1 s의 고강도 피크가 검출되었음을 알 수 있다. O3 질소의 존재를 암시하는 기질. 그림 3b는 MoS2의 SIMS 프로필을 보여줍니다. /β-Ga2 O3 Mo, N 및 Ga로 표시되는 주요 구성 요소의 신호가 깊이에 대해 플롯되는 질화 이종 접합. N 피크가 MoS2 /β-Ga2 O3 인터페이스 및 β-Ga2로 확산되는 N O3 기판은 플라즈마 처리 또는 1차 빔 충격 동안 아래층으로의 N 주입에 의해 기여할 수 있습니다. MoS2에서 더 높은 Ga 프로필 β-Ga2보다 층 O3 기질은 아마도 다른 물질 매트릭스의 다른 이온 수율에서 비롯된 것 같습니다[27]. 또한, β-Ga2에서 Mo의 꼬리 O3 이는 1차 빔 충격으로 인해 발생하는 확산 또는 깊이 분해능 문제에 기인할 수 있습니다[28].
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성장한 MoS2의 라만 스펙트럼 SiO2에 /Si 기판 및 전사된 MoS2 β-Ga2에서 O3 기판, 각각. 삽입된 그림은 제작된 MoS2의 단면 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 보여줍니다. /β-Ga2 O3 이종접합
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아 β-Ga2의 N 1 s XPS 스펙트럼 O3 표면 질화 처리된 기질. ㄴ 제작된 MoS2의 SIMS 깊이 프로파일 /β-Ga2 O3 이종접합
MoS2의 밴드 정렬을 얻으려면 /β-Ga2 O3 이종 접합의 경우, 단색 Al Kα X선 소스(hν =1486.6 eV)가 있는 VG ESCALAB 220i-XL 시스템에서 0.05 eV 단계의 XPS 측정이 수행되었습니다. 일정한 통과 에너지는 20 eV로 설정되었습니다. 또한 표준 C 1 s(284.8 eV)가 결합 에너지(BE) 보정에 사용되었습니다[29]. MoS2에서 가전자대 오프셋(VBO)을 평가하려면 /β-Ga2 O3 인터페이스, Mo 3d 및 Ga 3d 코어 레벨(CL)은 소수 레이어 MoS2에 사용되었습니다. 및 β-Ga2 O3 각각 샘플. 그림 4a는 Mo 3d의 XPS 좁은 스캔과 소수층 MoS2의 가전자대 스펙트럼을 보여줍니다. [30]. Mo 3d5/2의 CL 간의 결합 에너지 차이(BED) 및 MoS2에 대한 VBM(가전자대 최대값) 228.59 ± 0.1 eV로 계산되었습니다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 소수층 β-Ga2로부터의 Ga 3d CL 및 VBM의 BE O3 각각 20.25 ± 0.05 및 3.23 ± 0.05 eV로 추론되었습니다. 해당 BED는 17.02 ± 0.1 eV로 결정되었으며 Sun et al. [31]. 그림 4c는 MoS2에 대한 Mo 3d 및 Ga 3d CL의 측정된 XPS 스펙트럼을 보여줍니다. /β-Ga2 O3 질화 유무에 따른 이종 접합. Mo 3d5/2 CL은 질화되지 않은 이종 접합의 경우 228.95 ± 0.05 eV에서 질화된 이종 접합의 경우 229.60 ± 0.05 eV로 이동했으며 Ga 3d CL은 20.25 ± 0.05에서 20.65 ± 0.05 eV로 이동했습니다. Kraut' 방법에 기초하여,[32] 가전자대 오프셋(VBO, ∆E V ) 소수 계층 MoS2 /β-Ga2 O3 이종 접합은 다음 방정식에 따라 계산되었습니다.
$$ \Delta {E}_V=\left({E}_{Mo\ 3{d}_{5/2}}^{Mo{S}_2}-{E}_{VBM}^{Mo{ S}_2}\right)-\left({E}_{Ga\ 3d}^{Ga_2{O}_3}-{E}_{VBM}^{Ga_2{O}_3}\right)-{\ 델타 E}_{CL} $$ (1) <그림>
아 Mo 3d CL의 XPS 스펙트럼 및 소수층 MoS2의 가전자대 . ㄴ Ga 3d CL의 XPS 스펙트럼 및 β-Ga2의 가전자대 O3 기질. ㄷ 제작된 MoS2에 대한 Mo 3d 및 Ga 3d CL의 XPS 스펙트럼 /β-Ga2 O3 표면 질화 유무에 따른 이종 접합. d β-Ga2의 O 1 s CL 에너지 손실의 XPS 스펙트럼 O3 표면 질화 유무에 관계없이 기질
여기서 \( {E}_{Mo\ 3{d}_{5/2}}^{Mo{S}_2} \) 및 \( {E}_{VBM}^{Mo{S}_2} \ )는 Mo 3d5/2의 결합 에너지입니다. MoS2의 CL 및 VBM , \( {E}_{Ga\ 3d}^{Ga_2{O}_3} \) 및 \( {E}_{VBM}^{Ga_2{O}_3} \)는 Ga 3d CL의 결합 에너지입니다. 및 β-Ga2의 VBM O3 , \( {\델타 E}_{CL}=\Big({E}_{Mo\ 3{d}_{5/2}}^{Mo{S}_2}-{E}_{Ga\ 3d}^{Ga_2{O}_3} \))는 Mo 3d5/2 간의 결합 에너지 차이입니다. MoS2용 Ga 3d CL /β-Ga2 O3 이종 접합. 따라서 ∆E V 의 MoS2 β-Ga2에서 O3 N2가 있거나 없는 기판 플라즈마 처리는 각각 2.62±0.1 및 2.87±0.1 eV로 계산되었습니다.
그림 4d는 β-Ga2의 O 1 s CL 에너지 손실 스펙트럼을 보여줍니다. O3 질화 처리가 있는 기질과 없는 기질. 밴드갭은 4.70 ± 0.1 eV의 값으로 질화 처리 후 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 따라서 전도대 오프셋은 다음과 같이 추출할 수 있습니다.
$$ {\Delta E}_C={E}_g^{Ga_2{O}_3}-{E}_g^{Mo{S}_2}-{\Delta E}_V $$ (2)여기서 \( {E}_g^{Ga_2{O}_3} \) 및 \( {E}_g^{Mo{S}_2} \)는 β-Ga2의 밴드갭입니다. O3 및 소수 계층 MoS2 , 각각. 소수층 MoS2의 경우 1.4 ± 0.1 eV의 밴드갭 이 작업에 사용되었습니다. 34 식에 따르면 (2) ∆E C MoS2 사이 및 β-Ga2 O3 질화 유무는 각각 0.68 ± 0.1 및 0.43 ± 0.1 eV로 추론되었습니다. 질화 처리가 없는/없는 이종 접합에 대해 계산된 밴드 다이어그램은 각각 그림 5(a)와 5(b)에 나와 있습니다.
다음으로, 질화 및 비질화 이종 접합의 전자 구조를 밀도 기능 이론(DFT)에 기반한 Vienna ab initio 시뮬레이션 패키지(VASP)를 통해 추가로 조사했습니다[33,34,35]. Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE) 매개변수화의 GGA(generalized gradient approximation)가 교환 상관 함수에 채택되었습니다[36, 37]. 우리는 장거리 반 데르 발스(vdW) 상호 작용을 설명하기 위해 DFT-D3 분산 보정 접근 방식을 사용했습니다[38,39,40]. PAW(Projector Augmented Wave) 의사전위 방법은 평면파 확장에 대한 650eV의 운동 에너지 차단과 함께 코어-가전자 상호 작용을 설명하는 데 사용되었습니다. 단위 셀의 구조적 완화를 위해 4 × 4 × 1 G 중심 k-메쉬를 사용하고 k-점 사이의 최소 간격은 0.04 Å −1 입니다. , 이는 k개의 점 수에 대한 수렴 테스트에 의해 충분히 정확합니다. 수렴 임계값은 10 −4 으로 설정됩니다. 시스템의 에너지 차이에 대한 eV 및 10 −2 eV Å −1 Hellman-Feynman 힘을 위해. 인접한 두 원자층 사이의 인위적인 상호 작용을 제거하기 위해 진공층의 두께는 ~ 15Å로 설정됩니다. 이종 접합의 고유값은 Heyd-Scuseria-Ernzerhof(HSE06) 하이브리드 기능 계산에 의해 추가로 검증되며, 이는 PBE 및 Hartree-Fock(HF) 기능의 국소화 및 비편재화 오류를 줄임으로써 고유값의 정밀도를 향상시킵니다[41]. 단거리 HF 교환의 경우 혼합 비율은 25%입니다. 스크리닝 매개변수는 0.2 Å −1 입니다. .
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MoS2의 밴드 다이어그램 /β-Ga2 O3 이종접합 a 및 b 없이 표면 질화 처리
MoS2 /β-Ga2 O3 이종 접합은 그림 6a와 같이 구성되었습니다. 결합 에너지와 원자 분리 사이의 관계에 대한 단순한 보편 형태를 제공하는 UBER(Universal binding Energy Relation) 방법[42]은 전자 구조 계산 전에 에너지적으로 안정적인 구조를 결정하기 위해 적용되었습니다. 다양한 층간 거리를 고려하고 표면 접착 에너지 W 광고 이종 접합의 경우 아래에 표시됩니다.
$$ {W}_{ad}=\frac{E_{Ga_2{O}_3}+{E}_{Mo{S}_2}-{\mathrm{E}}_{Ga_2{O}_3/월 {S}_2}}{A} $$ <그림>
β-Ga2의 원자 구조 및 전하 밀도 분포 O3 -MoS2 적층 헤테로구조 a 및 b 없이 측면에서 본 4 × 4 × 1 슈퍼셀의 질소 도펀트. Ga(O) 원자는 빨간색(회색)으로 표시되고 Mo(S) 원자는 파란색(주황색)으로 표시됩니다. MoS2의 밴드 구조 /β-Ga2 O3 헤테로구조 c 없이 및 d 질소 도펀트로
여기서 A는 인터페이스 영역, \( {E}_{Ga_2{O}_3} \), \( {E}_{Mo{S}_2} \) 및 \( {E}_{Ga_2{O }_3/ Mo{S}_2} \)는 β-Ga2의 총 에너지입니다. O3 , 단층 MoS2 그리고 MoS2 /β-Ga2 O3 각각 이종 접합. 일단 W 광고 최대값에 도달하면 최적의 층간 거리를 얻을 수 있습니다. 구조 최적화 후 질소 원자가 원래 MoS2에 치환 도핑됩니다. /β-Ga2 O3 그림 6b와 같이 이종 접합. DFT 계산에서 질소의 농도는 약 4.17%로 실험에서(3.61%)에 가깝습니다. 질화 및 비질화 MoS2의 전자 구조 /β-Ga2 O3 이종 접합은 그림 6c 및 d에 표시된 대로 계산되었습니다. 미드 갭 상태가 도입되어 MoS2를 통한 전하 이동을 향상시킬 수 있음이 확인되었습니다. /β-Ga2 O3 인터페이스 및 결과 인터페이스 쌍극자는 측정된 결합 에너지 이동에 기여했습니다. 또한 계산된 전도대 오프셋 ∆E C (\( \Delta {E}_C={E}_{CB}^{Mo{S}_2}-{E}_{CB}^{Ga_2{O}_3} \)) 도핑되지 않은- 및 도핑된- β-Ga2 O3 /MoS2 이종접합은 각각 0.82, 1.0 eV로 실험 결과와 동일한 경향을 보였다. 또한 HSE06 방법을 사용하여 \( {E}_{CB}^{Mo{S}_2} \) 및 \( {E}_{CB}^{Ga_2{O}_3} \)의 고유값을 계산했습니다. 위의 결론을 추가로 확인하고 수정된 ∆E C 도핑되지 않은 및 도핑된 β-Ga2의 경우 0.87 및 1.08 eV입니다. O3 /MoS2 각각 이종 접합.
결론적으로, 각각의 MoS2 필름이 미질화 및 질화물 β-Ga2로 전송되었습니다. O3 MoS2 구성용 /β-Ga2 O3 이종 접합. 전달된 MoS2의 품질을 조사하기 위해 라만 분광법을 사용했습니다. MoS2의 원소 깊이 프로파일을 조사하기 위해 SIMS 연구가 수행되었습니다. /β-Ga2 O3 질화와 이종 접합. VBO는 질화 MoS2의 경우 2.62 ± 0.1 eV로 결정되었습니다. /β-Ga2 O3 XPS에 의한 비질화 이종 접합의 경우 이종 접합 및 2.87 ± 0.1 eV 각각. 결과 CBO는 0.68 ± 0.1 및 0.43 ± 0.1 eV로 추론되었으며, 이는 DFT 계산과 동일한 추세입니다. 이러한 발견은 밴드 오프셋이 표면 질화 공정을 통해 수정될 수 있음을 입증했습니다. 이 연구는 2D/3D 수직 이종 접합을 기반으로 설계된 전자 장치의 구현에 대한 영광스러운 관점을 제공합니다.
이 원고의 결론을 뒷받침하는 데이터 세트가 원고에 포함되어 있습니다.
베타 갈륨 산화물
단일 레이어
이황화 몰리브덴
X선 광전자 분광법
전도대 오프셋
가전자대 오프셋
화학 기상 증착
폴리(메틸메타크릴레이트)
고해상도 투과 전자 현미경
2차 이온 질량 분석기
결속력
결합 에너지 차이
핵심 레벨
원자가 밴드 최대값
비엔나 ab 초기 시뮬레이션 패키지
밀도 함수 이론
일반화된 기울기 근사
퍼듀-버크-에른처호프
프로젝터 증강파
보편적인 결합 에너지 관계
나노물질
초록 이 연구에서 우리는 TiO2의 광촉매 특성을 향상시키기 위해 열간 압착 공정을 사용했습니다. /Fe2 O3 물 분해를 위한 산소 발생 반응에서 광촉매를 위한 광자 흡수를 증가시키기 위해 표면에 주기적 패턴 구조를 갖는 바이메탈 산화물. 열간 압착된 샘플은 두 개의 금속 산화물을 결합하면 서로 다른 파장에서 전극의 흡수 밴드 가장자리가 향상됨을 보여줍니다. 열간 압착 공정을 사용하여 얻은 패턴 구조는 광자 흡수를 성공적으로 개선하여 평평한 표면 전극에 비해 2배 향상되었습니다. 소개 물을 분해하여 산소를 생성하는 광촉매
초록 전형적인 슈퍼커패시터 전극 물질인 층상 이중 수산화물은 구조가 잘 조절되면 우수한 에너지 저장 성능을 나타낼 수 있습니다. 이 연구에서 다양한 니켈-코발트 층상 이중 수산화물(NiCo-LDHs)을 제조하기 위해 간단한 1단계 열수 방법이 사용되며, 여기서 다양한 요소 함량이 NiCo-LDH의 다양한 나노구조를 조절하는 데 사용됩니다. 결과는 요소 함량의 감소가 NiCo-LDH의 분산성을 효과적으로 개선하고 두께를 조정하며 내부 기공 구조를 최적화하여 정전 용량 성능을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 니켈(0.06g) 대 코발
