Sublimation-based wafer-scale monolayer WS2 formation via self-limited thinning of few-layer WS2

文献情報

出版日 2023-10-05
DOI 10.1039/D3NH00358B
インパクトファクター 10.989
著者

Mingxi Chen, Jianwei Chai, Jing Wu, Wen-Ya Wu, James Lourembam, Ming Lin, Jun-Young Kim, Jaewon Kim, Man-Fai Ng, Henry Medina, Shi Wun Tong, Dongzhi Chi


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要旨

Atomically-thin monolayer WS2 is a promising channel material for next-generation Moore's nanoelectronics owing to its high theoretical room temperature electron mobility and immunity to short channel effect. The high photoluminescence (PL) quantum yield of the monolayer WS2 also makes it highly promising for future high-performance optoelectronics. However, the difficulty in strictly growing monolayer WS2, due to its non-self-limiting growth mechanism, may hinder its industrial development because of the uncontrollable growth kinetics in attaining the high uniformity in thickness and property on the wafer-scale. In this study, we report a scalable process to achieve a 4 inch wafer-scale fully-covered strictly monolayer WS2 by applying the in situ self-limited thinning of multilayer WS2 formed by sulfurization of WOx films. Through a pulsed supply of sulfur precursor vapor under a continuous H2 flow, the self-limited thinning process can effectively trim down the overgrown multilayer WS2 to the monolayer limit without damaging the remaining bottom WS2 monolayer. Density functional theory (DFT) calculations reveal that the self-limited thinning arises from the thermodynamic instability of the WS2 top layers as opposed to a stable bottom monolayer WS2 on sapphire above a vacuum sublimation temperature of WS2. The self-limited thinning approach overcomes the intrinsic limitation of conventional vapor-based growth methods in preventing the 2nd layer WS2 domain nucleation/growth. It also offers additional advantages, such as scalability, simplicity, and possibility for batch processing, thus opening up a new avenue to develop a manufacturing-viable growth technology for the preparation of a strictly-monolayer WS2 on the wafer-scale.

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Nanoscale Horizons

Nanoscale Horizons
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Nanoscale Horizons is a leading journal for the publication of exceptionally high-quality, innovative nanoscience and nanotechnology. The journal places an emphasis on original research that demonstrates a new concept or a new way of thinking (a conceptual advance), rather than primarily reporting technological improvements. However, outstanding articles featuring truly breakthrough developments such as record performance alone may also be published in the journal. For work to be published it must be of significant general interest to our community-spanning readership. Topics covered in the journal include, but are not limited to: Synthesis of nanostructured and nanoscale materials Quantum materials 2D materials Layered materials Layered quantum materials Characterisation of functional nanoscale materials and bio-assemblies Properties of nanoscale materials Self-assembly and molecular organisation Complex hybrid nanostructures Nanocomposites, nanoparticles, nanocrystalline materials, and nanoclusters Nanotubes, molecular nanowires and nanocrystals Molecular nanoscience Nanocatalysis Theoretical modelling Single-molecules Plasmonics Nanoelectronics and molecular electronics Nanophotonics Nanochips, nanosensors, nanofluidics and nanofabrication Carbon-based nanoscale materials and devices Biomimetic materials Nanobiotechnology/bionanomaterials Nanomedicine Regulatory approaches and risk assessment

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