Morphology and Phase Engineering in Semiconducting Transition Metal Dichalcogenides

Abstract

PART. Ⅱ Tungsten disulfide (WS2) has attracted tremendous interests due to its tunable bandgap which can be used for future optoelectronic devices. Here, we report local strain effects in triangular WS2 monolayer, which is synthesized by two-dimensional core-shell growth using chemical vapor deposition (CVD). Core/shell grown WS2 monolayer has optically distinguishable multi-domains and the dramatic variation in photoluminescence (PL) spectra in the core and the shell region unlike a conventional WS2 monolayer. PL spectra have the photon energies at 1.98 eV for the WS2 shell and 1.96 eV for the shell boundaries. Interestingly, the shell boundaries of WS2 have significant increase in PL intensities and the surface roughness, probably because of defect-induced oxidation. In the WS2 core, the photon energies of PL spectra decrease down to 1.83 eV and the PL intensities decrease. Our first-principle calculations showed that the tensile strain on WS2 monolayers can modulate the bandgap by up to 9.8%. We interpret that the WS2 monolayer with multiple domains was laterally strained during the CVD growth, leading to the local modulation of the bandgap. Thus, our study indicates that the bandgap of WS2 is sensitive to the strain in the growth process, which provides a practical way to fabricate lateral heterostructure with the tunable bandgap for applications of future optoelectronic nanodevices. PART. III Laser thinning of two-dimensional (2D) semiconductor transition metal dichalcogenides (TMDs) has been considered a promising method for precisely controlling the thickness of the TMD to modify the bandgap of the TMD. However, laser irradiation results in significant amounts of chalcogen vacancies, which are known to make phase transition in polymorphic TMDs, like MoTe2. Therefore, accurate thickness and phase control during laser thinning are highly required to study the intrinsic properties of nanoscale TMDs. In this study, laser thinning with different power and phase control of semiconductor hexagonal MoTe2 (2H-MoTe2) are reported. In high-resolution X-ray nano-diffraction using synchrotron radiation, 2H-MoTe2, which has been irradiated with low laser power (< 2 mW), was found to maintain its hexagonal diffraction pattern in a single crystal orientation. In contrast, at a high laser power level, a phase change to monoclinic (1T') MoTe2 occurred at the laser thinning process. According to confocal Raman spectroscopy and AFM measurements, thinning with low-power laser of 2H-MoTe2 retained a crystal structure, while thinning with high-power laser caused significant amount of chalcogen vacancies and phase transitions. Therefore, power-dependent laser thinning could be a promising and practical method for the thickness and phase control of a polymorphic 2D TMD for a next generation optoelectronic device. ;2차원 층상 물질인 전이금속 디칼코제나이드 (TMD)는 그래핀에 없는 넓은 범위의 밴드갭과, 나노 스케일에서 높은 전자 이동도와 on/off ratio를 보인다는 점에서 트랜지스터, CMOS 등 기존 실리콘 기반의 전자 산업 뿐만 아니라 전기화학 촉매, 에너지 저장장치, 스핀트로닉 등 다양한 분야로 응용이 가능해 최근 많은 주목을 받고 있는 물질이다. TMD가 가진 특이한 물성을 이용하기 위해서는 대면적 스케일의 원자 수준 두께를 갖는 샘플이 요구되며, 기계적 박리법과 달리 일정한 두께를 가진 샘플을 합성할 수 있고 합성 변수에 따라 조성, 크기, 구조 등을 제어할 수 있다는 점에서 화학 기상 증착법(CVD)을 통해 대면적 크기의 TMD를 합성하는 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다. 게다가 화학 기상 증착법으로 서로 다른 두 물질을 접합시켜 이중접합구조를 만들거나 성장 중 응력(strain)을 주어서 TMD의 전자 구조를 바꿀 수 있다. 따라서 본 연구에서는 화학 기상 증착법으로 TMD 중 가장 많이 연구되고 있는 물질 중 하나인 이황화텅스텐 (WS2)을 화학 기상 증착법으로 합성하고, 중심(core)과 주변부(shell)에서 밴드갭이 서로 다른 구조를 가진 이황화텅스텐에서 도핑과 응력에 의해 밴드갭의 값을 조절할 수 있음을 보였다. 몰리브덴디텔루라이드(MoTe2)를 포함한 TMD가 가진 특이한 물성 중의 하나는 여러 개의 상(phase)이 존재하여 상에 따라 다른 전자 구조를 갖는 다형성의 특징을 갖는 것이다. 레이저 식각 방법을 통해 다형성을 가진 TMD에서 상전이가 가능할 뿐만 아니라 두께를 조절할 수 있지만 두께에 따른 TMD의 고유한 특성을 연구하기 위해서는 레이저를 통해 두께와 구조상을 섬세하게 제어하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 레이저의 파워를 조절하여 레이저 식각 방법으로 몰리브덴디텔루라이드 (MoTe2)의 상과 두께를 정확하게 조절하여 물리적인 변형 없이 결정성을 유지하는 방법을 제안하여 TMD가 가진 이점을 다양한 분야로 활용할 수 있음을 보이는 연구를 수행하였다.