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Nucleation and Growth of Monolayer MoS2 at Multisteps of MoO2 Crystals by Sulfurization
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2023-04-13 , DOI: 10.1021/acsnano.3c01150 Yeonjoon Jung 1 , Huije Ryu 1 , Hangyel Kim 1 , Donghoon Moon 1 , Jaewoong Joo 1 , Seong Chul Hong 1 , Jinwoo Kim 1 , Gwan-Hyoung Lee 1
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2023-04-13 , DOI: 10.1021/acsnano.3c01150 Yeonjoon Jung 1 , Huije Ryu 1 , Hangyel Kim 1 , Donghoon Moon 1 , Jaewoong Joo 1 , Seong Chul Hong 1 , Jinwoo Kim 1 , Gwan-Hyoung Lee 1
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Two-dimensional (2D) materials and their heterostructures are promising for next-generation optoelectronics, spintronics, valleytronics, and electronics. Despite recent progress in various growth studies of 2D materials, mechanical exfoliation of flakes is still the most common method to obtain high-quality 2D materials because precisely controlling material growth and synthesizing a single domain during the growth process of 2D materials, for the desired shape and quality, is challenging. Here, we report the nucleation and growth behaviors of monolayer MoS2 by sulfurizing a faceted monoclinic MoO2 crystal. The MoS2 layers nucleated at the thickness steps of the MoO2 crystal and grew epitaxially with crystalline correlation to the MoO2 surface. The epitaxially grown MoS2 layer expands outwardly on the SiO2 substrate, resulting in a monolayer single-crystal film, despite multiple nucleations of MoS2 layers on the MoO2 surface owing to several thickness steps. Although the photoluminescence of MoS2 is quenched owing to efficient charge transfer between MoS2 and metallic MoO2, the MoS2 stretched out to the SiO2 substrate shows a high carrier mobility of (15 cm2 V–1 s–1), indicating that a high-quality monolayer MoS2 film can be grown using the MoO2 crystal as a seed and precursor. Our work shows a method to grow high-quality MoS2 using a faceted MoO2 crystal and provides a deeper understanding of the nucleation and growth of 2D materials on a step-like surface.
中文翻译：
单层 MoS2 在多步硫化 MoO2 晶体中的成核和生长
二维 (2D) 材料及其异质结构有望用于下一代光电子学、自旋电子学、谷电子学和电子学。尽管二维材料的各种生长研究最近取得了进展，但薄片的机械剥离仍然是获得高质量二维材料的最常用方法，因为在二维材料的生长过程中精确控制材料生长和合成单域，以获得所需的形状和质量，具有挑战性。在这里，我们通过硫化刻面单斜 MoO 2晶体来报告单层 MoS 2的成核和生长行为。MoS 2层在 MoO 2的厚度阶跃处成核晶体并外延生长，与 MoO 2表面具有结晶相关性。外延生长的 MoS 2层在 SiO 2衬底上向外扩展，形成单层单晶膜，尽管由于多个厚度台阶导致MoO 2表面上的MoS 2层多次成核。尽管 MoS 2的光致发光由于 MoS 2和金属 MoO 2之间的有效电荷转移而被淬灭，但延伸到 SiO 2衬底的MoS 2显示出高载流子迁移率 (15 cm 2 V –1 s –1), 表明可以使用 MoO 2晶体作为种子和前体生长高质量的单层 MoS 2膜。我们的工作展示了一种使用多面 MoO 2晶体生长高质量 MoS 2的方法，并提供了对二维材料在阶梯状表面上的成核和生长的更深入理解。
更新日期：2023-04-13
中文翻译：
单层 MoS2 在多步硫化 MoO2 晶体中的成核和生长
二维 (2D) 材料及其异质结构有望用于下一代光电子学、自旋电子学、谷电子学和电子学。尽管二维材料的各种生长研究最近取得了进展，但薄片的机械剥离仍然是获得高质量二维材料的最常用方法，因为在二维材料的生长过程中精确控制材料生长和合成单域，以获得所需的形状和质量，具有挑战性。在这里，我们通过硫化刻面单斜 MoO 2晶体来报告单层 MoS 2的成核和生长行为。MoS 2层在 MoO 2的厚度阶跃处成核晶体并外延生长，与 MoO 2表面具有结晶相关性。外延生长的 MoS 2层在 SiO 2衬底上向外扩展，形成单层单晶膜，尽管由于多个厚度台阶导致MoO 2表面上的MoS 2层多次成核。尽管 MoS 2的光致发光由于 MoS 2和金属 MoO 2之间的有效电荷转移而被淬灭，但延伸到 SiO 2衬底的MoS 2显示出高载流子迁移率 (15 cm 2 V –1 s –1), 表明可以使用 MoO 2晶体作为种子和前体生长高质量的单层 MoS 2膜。我们的工作展示了一种使用多面 MoO 2晶体生长高质量 MoS 2的方法，并提供了对二维材料在阶梯状表面上的成核和生长的更深入理解。
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