Crescita di Materiali Nanostrutturati e Funzionali
Referente: Verucchi Roberto
IJD crescita TMDs

 

Film sottili di MoS2 caratterizzati da proprietà tipiche di MoS2 a pochi layer, su substrati ad ampia area

Impieghiamo la ionized jet deposition (IJD), unita a trattamenti termici a 250 °C, per crescere film sottili di MoS2 in modo versatile e potenzialmente industrialmente scalabile.

Pur essendo spessi più di 100 nm, i film di MoS2 depositati con IJD films mostrano notevoli proprietà di tipo 2D, elettroniche e ottiche: sono caratterizzati da un bandgap di 1.86 eV e da spettri di fotoluminesceza (PL) ben risolti con una larghezza eccitonica inferiore a 10 meV. Questo comportamento è stato ottenuto grazie all’inclusione di nanostrati bidimensionali di MoS2 cristallino (a singolo o pochi strati) in una matrice di MoS2 amorfo (struttura “2D-in-3D").

Questi risultati rappresentano un punto di svolta verso la produzione di materiali “2D-like” su larga scala ed in modo accessibile.

IJD growth MoS2
Sinistra: Rappresentazione schematica della composizione nanometrica e del corrispettivo arrangiamento atomico durante crescita di film sottili di MoS2; il film sottile finale mostra nanostrati composti da una struttura 2D di pochi strati di MoS2 cristallino incorporata in una matrice di MoS2 amorfo (struttura “2D-in-3D”). Destra: Diagramma dei livelli energetici di film sottili di MoS2 “2D-in-3D” che mostrano proprietà ottiche simili a MoS2 a singolo/pochi strati incorporati in nitruro di boro esagonale (h-BN) a basse temperature.

"2D-MoS2 goes 3D: transferring optoelectronic properties of 2D MoS2 to a large-area thin film" – M. Timpel et al. - npj 2D Mater. Appl. 5 (2021) 64 - https://doi.org/10.1038/s41699-021-00244-x

IJD-MoS2: Ruolo del substrato e dei parametri di lavoro

Per studiare le possibili interazioni tra il target del plasma della IJD ed il substrato, ad esempio SiO2/Si, è stata investigata accuratamente l’interfaccia tra l’MoS2 “as-deposited” e il subtrato di SiO2/Si. E’ stata osservata la formazione di un interfaccia costituita da diversi ossidi di silicio, tra MoS2 ed il substrato di silicio, la cui formazione potrebbe derivare da processi di etching ed ossidazione da parte di molecole d’acqua nella camera da vuoto che si dissociano durante la crescita.

IJD growth MoS2 on SiO2
Rappresentazione schematica delle reazioni all’interfaccia nel caso di IJD-MoS2 su substrato di SiO2/Si:
(a) prima della deposizione da ionized jet; (b) etching iniziale di ossido nativo di SiO2; (c) formazione di una superfice complessa di SiOx e crescita di film sottili di MoS2.

"Synthesis of MoS2 Thin Film by Ionized Jet Deposition: Role of Substrate and Working Parameters" – A. Ghiami et al. - Surfaces 3 (2020) 683 - https://doi.org/10.3390/surfaces3040045