Članovi SIMAT grupe, s doktorandom Valentinom Jadriškom kao vodećim autorom, objavili su rad u časopisu FlatChem, u kojem predstavljeni su rezultati uspješne MBE sinteze MoS₂/grafen heterostrukture i naknadni prijenos uzorka na SiO₂/Si podlogu, što postavlja temelj za moguću buduću primjenu visokokvalitetnih sintetiziranih TMD i srodnih heterostruktura u optoelektroničkim uređajima.

Structural and optical characterization of nanometer sized MoS2/graphene heterostructures for potential use in optoelectronic devices

Valentino Jadriško, Borna Radatović, Borna Pielić, Christoph Gadermeier, Marko Kralj, Nataša Vujičić, FlatChem 34, 100397 (2022)

DOI:  10.1016/j.flatc.2022.100397

Dvodimenzionalni poluvodički materijali, poput dihalkogenida prijelaznih metala, primjer su materijala u kojima je prisutno snažno međudjelovanje svjetlosti s materijom, s dobrom kemijskom stabilnošću, dostupnim i skalabilnim tehnikama sinteze te su stoga izgledni materijeli za primjenu u (nano)elektroničkim, optoelektroničkim i fotoničkim uređajima. Uspješna sinteza 2D materijala, s mogućnošću kontrole parametara sinteze u svrhu dobivanja kvalitetnih uzoraka na velikim skalama te njihova daljnja uspješna manipulacija preduvjet su za uspješno iskorištavanje potencijala 2D materijala.

U ovom radu prikazana je tehnika sinteze nanometarskih otoka MoS2 na kontinuiranom sloju grafena promjera 6 mm na metalnoj Ir(111) podlozi i uspješan prijenos nastale heterostrukture na SiO2/Si podlogu. Heterostruktura MoS2 na grafenu sintetizirana je tehnikom molekularnog epitaksijalnog rasta (MBE). Inicijalni rast grafena te zatim MoS2 otoka potvrđen je LEED tehnikom dok je precizna morfološka ispitivanja uzorka u UHV uvjetima napravljena pomoću STM-a, vidi Sliku 1.

Slika 1. a) LEED uzorak grafena na Ir(111) i b) MoS₂/grafen heterostrukture na Ir(111). Difrakcijski uzorak grafena naznačen je crvenom kružnicom, Ir narančastom, a i MoS₂ plavom. Slike c) i d) prikazuju STM slike jednoslojnih otoka MoS₂. Na slici su naznačene strelicama granice zrna (plave strelice) i točkasti defekti (bijele strelice) u jednoslojnom MoS2, kao i dvoslojni rast MoS2 (crvena strelica). e) STM linijski profil duž zelene linije prikazane na slici d). f) Shematski prikaz presjeka uzorka sa slike e).

Iz morfologije koja je kasnije uspoređena s topografijom dobivenom AFM-om u ambijentalnim uvjetima utvrđena je 22% zastupljenost MoS2 otoka, prosječne visine od 1 nm te u prosjeku 6 osnovnih segmenata po otoku, potvrđujući stabilnost uzorka u ambijentalnim uvjetima, vidi Sliku 2.

Slika 2. a) AFM topografija MoS2 naraštanog na grafenu na Ir (111) u ambijentalnim uvjetima. Nakon što je uzorak izvađen iz UHV komore. b) Visinski profil duž bijele strelice prikazane na slici a) koja pokazuje visinu sloja MoS2 na nekoliko različitih jedoslojnih otoka MoS2. c) AFM topografija zone na kojoj je prisutno jetkanje grafena (zona je naznačena crkanom linijom). d) Visinski profil duž bijele strelice prikazane na slici c) koja pokazuje debljinu sloja grafenskog sloja debljinu jednog otoka MoS2.  e) Optički mikrograf heterostrukture na Ir(111). f) Raspodjela veličina otoka MoS2 (histogram) te fit na log-normalnu raspodjelu (crvena krivulja).

Nakon transfera elektrokemijskom delaminacijom, AFM analiza otkriva 95% uspješnost transfera s Ir(111) na proizvoljnu podlogu u ovom slučaju SiO2/Si te zadržanu udaljenost između slojeva koja je indikator održane morfološke strukture. Osim što je uspješnost transfera potvrđena zadržanim intrinzičnim strukturalnim svojstvima naraštanih slojeva, ona je potvrđena i ispitivanjem optičkih svojstava naraštane heterostrukture, vidi Sliku 3.

Slika 3. Optička karakterizacija uzoraka (PL i Ramanovi spektri). Crna linija su eksperimentalno opaženi spektri, a crvena linija predstavlja kumulatini fit na Lorentzijane. a) PL spektar MoS2 s 2D grafenskim Ramanovim modom; b) Ramanov spektar MoS2; c) Ramanov spektar grafena.

Ramanovi i PL spektri sugeriraju prijenos elektrona iz fotopobuđenog MoS2 prema grafenu, što  otvara mogućnosti za izradu učinkovitih uređaja koji se baziraju na ovakvim heterostrukturama, pri čemu je transfer naboja poboljšan postojanjem direkntnog kontakta između sloja grafena i MoS2, a postojanje metaliziranih 1T rubova na otocima MoS2 dodatno pospješuje prijenos naboja unutar otoka prema grafenskom sloju.