Strategieën ontwikkelen voor hoogwaardige kristalgroei

Optische microfoto van groot formaat monolaag WS₂ kristal. Krediet: Okayama University

Overgangsmetaal dichalcogeniden (TMDC’s) zijn een klasse van materialen met fysieke eigenschappen die ze bij uitstek geschikt maken voor gebruik in flexibele opto-elektronische toepassingen, zoals lichtdetectoren, lichtgevende dioden en zonnecellen. Om dergelijke toepassingen goed te laten presteren, moet de kristallijne kwaliteit van de TMDC’s echter extreem hoog zijn; defecten in de kristalstructuur verslechteren de prestaties van het apparaat.

De kristallijne kwaliteit van een monster is gerelateerd aan het aantal korrelgrenzen – interfaces tussen verschillende korrels, of domeinen, binnen het kristal. Verschillende domeinen hebben dezelfde chemische samenstelling en structuur, maar zijn verschillend georiënteerd ten opzichte van elkaar. Hoe lager het aantal korrelgrenzen, hoe groter de domeinen en hoe beter de kristalliniteit van het monster. Nu hebben assistent-professor Suzuki Hiroo en Hashimoto Ryoki (afgestudeerde studenten) Okayama University en collega’s een techniek ontwikkeld waarmee zeer kristallijne TMDC’s kunnen worden gekweekt. Bovendien maakt de techniek het mogelijk om de prestaties van TMDC’s voor opto-elektronische apparaten te optimaliseren.

De aanpak van de onderzoekers is gebaseerd op Chemical Vapour Deposition (CVD), een methode waarbij een substraat in een vacuümkamer wordt geplaatst en wordt blootgesteld aan bepaalde chemische dampen. Dit leidt tot chemische reacties en afzettingen op het substraat, wat resulteert in de groei van het gewenste materiaal.

Universitair docent Suzuki en collega’s groeiden de TMDC’s MoS₂ (molybdeendisulfide) en WS₂ (wolfraamdisulfide), waarvoor ze metaalzouten en zwavelbronnen laten reageren in de CVD-kamer. Het bijzondere was dat ze een gestapelde substraatconfiguratie gebruikten: twee op silicium gebaseerde substraten die dicht bij elkaar werden geplaatst, waardoor een besloten omgeving ontstond waarin de TMDC’s zich konden vormen. Dit type “microreactor” leidde tot de groei van monsters met grote domeinen.

Door zorgvuldige analyse van de morfologie van de verkregen kristallen en numerieke modellering van de processen die spelen, concludeerden universitair docent Suzuki en collega’s dat de groei wordt bepaald door oppervlaktediffusie, dat wil zeggen door atomen die langs het substraatoppervlak bewegen. Dit leidt tot een lagere kans voor atomen om te kiemen en de groei van een domein te initiëren; in plaats van meerdere kleine domeinen ontwikkelen zich slechts één of enkele grote domeinen.

De wetenschappers onderzochten vervolgens hoe de groeitemperatuur die in het CVD-proces werd gebruikt, de fotoluminescentie van de materialen beïnvloedde – het vermogen om licht van een bepaalde golflengte uit te zenden na te zijn bestraald met licht van een andere golflengte. Ze ontdekten dat bij een groeitemperatuur van ongeveer 820°C de fotoluminescentie-eigenschappen van WS₂ zijn optimaal.

Concluderend produceert de gerapporteerde groeimethode, op een gecontroleerde manier, zeer kristallijne TMDC-monsters die geschikt zijn voor gebruik in opto-elektronische toepassingen. De onderzoekers citeren: “deze bevindingen zouden aanzienlijk moeten bijdragen aan de realisatie van toepassingen van hoogwaardige opto-elektronische apparaten op basis van hoogwaardige monolaag-TMDC’s.”

Het onderzoek is gepubliceerd in ACS Nano.