‘Influència del carboni en làmines de MoS2 crescudes per MOCVD a partir de precursors orgànics’


Paraules Clau: Ciència de Materials, Materials 2D, Disulfur de molibdè

Marta Delgà, 4 de juny de 2021

Font de l’article: doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c00646

Aquest Temes de Nanociència gira entorn l’article publicat recentment a la revista centífica Chemistry of Materials, titulat “Incorporació de carboni en làmines de MoS2 crescudes per MOCVD a partir d’un precursor organosulfídic”.

Com sabeu, els materials bidimensionals tenen un rol molt important en l’àmbit de la nanociència i la nanotecnologia, ja que constitueixen la base de moltes de les aplicacions que ofereix aquest camp. Des del descobriment i la primera fabricació del grafè l’any 2004, s’ha avançat molt en l’estudi d’altres materials bidimensionals de propietats úniques. El disulfur de molibdè (MoS2), en el qual es centra l’article que comentem aquest mes, és un d’ells.

El MoS2 és un semiconductor que, en forma de làmina bidimensional, té propietats diferents a les que presenta com a material macroscòpic. Per exemple, la seva fotoluminiscència augmenta en disminuir el nombre de capes de material (per tant, el MoS2 bidimensional, de tan sols un àtom de gruix, presenta una major luminiscència que el material macroscòpic). A més, aquest material (com el grafè) té una alta mobilitat electrònica, fet que el fa molt prometedor per a ser utilitzat en aplicacions en el camp de l’electrònica, i relacionades amb diferents àmbits com la biomedicina. Per tant, resulta d’interès trobar maneres econòmiques i eficients de fabricació de MoS2.

Com en tota fabricació de materials bidimensionals per a aquest tipus d’aplicacions, és clau l’obtenció de la major qualitat possible i, per tant, cal entendre la influència de qualsevol tipus de contaminació, la seva font i, si és necessari, com eliminar-la. Per això, el fet destacat de l’article és que aporta informació sobre com afecta la incorporació no intencionada de carboni en el procés de creixement de la làmina de MoS2 en un reactor MOCVD (de les sigles de Metal Organic Chemical Vapor Deposition, en anglès).

Els autors fabriquen la làmina de MoS2 en un reactor construït per ells mateixos en el laboratori, sobre substrats de diòxid de silici sobre silici i utilitzant com a precursors l’hexacarbonil de molibdè, Mo(CO)6 i el sulfur de dietil, (C2H5)2S. En el projecte exposat, varien diferents paràmetres de creixement (específicament la proporció de precursors i quantitat d’hidrogen) i avaluen la quantitat de carboni incorporat a les mostres com a resultat del mateix procés. Per fer-ho, caracteritzen el material morfològicament utilitzant microscòpia SEM, i en determinen la qualitat a través d’espectroscòpia Raman (també l’utilitzen per relacionar les proporcions de carboni) i fotoluminiscència.  A més, l’espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X els ha permès determinar quantitativament la composició química de les mostres analitzades.

Els resultats experimentals explicats mostren com la proporció dels precursors influeix en el grau de creixement dels dominis de MoS2 i que, per tant, la quantitat de carboni incorporat, precisament, l’obstaculitza. Conclouen, en aquest sentit, que és determinant utilitzar un rang específic de proporció, ni més ni menys, per al creixement òptim.

Pel que fa a la presència d’hidrogen, que es coneix per ser un material reductor, els autors poden demostrar com aquest element permet controlar la piròlisi del sulfur de dietil. Per tant, una quantitat òptima d’aquest en el procés de formació de la capa de MoS2, que detallen en l’article, permet controlar la presència final de carboni incorporat no intencionadament.

Finalment, cal destacar que els autors no tan sols donen informació sobre com monitoritzar i controlar la quantitat de carboni no intencionat en el MoS2 fabricat, sinó que demostren que l’origen d’aquest es troba en la piròlisi del sulfur de dietil, precursor utilitzat, a través del que es pot considerar un exemple de treball experimental i anàlisi exhaustiu. Tot això correlacionant tècniques diverses i complementàries que duen a conclusions claus per entendre el procés de formació d’un material cada vegada més prometedor per ser utilitzat en el món de l’electrònica. 

Els autors d’aquest article pertanyen a l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), i són exemple de la importància de la interdisciplinaritat en el món de la ciència.

Hem parlat amb Christian Schaefer, autor del treball publicat, perquè ens expliqués de primera mà les seves impressions.

Aquí teniu la petita entrevista:

–       Hello Christian, can you tell us a bit about you and your research at the ICN2?

Sure! Coming from a materials science background, I am currently a PhD student in Jose Garrido’s Advanced Materials & Devices group at ICN2. My research is within the frame of the BrainCom project, which aims at developing flexible, neural interface devices based on 2D materials. You can check out the webpage here: http://www.braincom-project.eu/

–        Can you explain more in detail the material(s) you are working with?

My work mainly focuses on molybdenum disulphide (MoS2). Single-layer MoS2 is a direct bandgap semiconductor and has excellent mechanical properties. Therefore, it is well suited for electronic devices, such as transistors, and flexible applications. To grow homogeneous MoS2 thin films on large areas, I am using metal-organic chemical vapour deposition (MOCVD), which is the topic of my paper.

–        Which one do you think is the most relevant part of your recent published findings for the scientific field you are working in? / Can you briefly tell us why carbon contamination is a drawback for the good performance of your MoS2?

The MOCVD growth of MoS2 uses organic precursors chemistry, which can introduce carbon as an unwanted side-product. However, the mechanisms behind this carbon incorporation are not well understood.

My study gives a fundamental understanding of the influence of growth parameters and the effect of C incorporation on the MoS2 thin film. In particular, I found that the presence of C impurities impedes the ideal 2D growth behaviour and affects the optoelectronic properties of MoS2, which can hamper MoS2 device performance. Therefore, I have optimized the growth recipe to reduce the C incorporation.

Moltes gràcies, Christian!

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *