Senzor optoelectric multifunctional foarte sensibil bazat pe straturi subtiri mono-atomice de 2D-MoS2 crescute prin nucleere selectiva


Project Director: Dr. Toma STOICA

Titlu: “Senzor optoelectric multifunctional foarte sensibil bazat pe straturi subtiri mono-atomice de 2D-MoS2 crescute prin nucleere selectiva

Acronim: 2Doptosens

Cod proiect: PN-III-P2-2_1-PED-2021-2457

Director de proiect: Dr. Toma Stoica

Tip proiect: National

Finantat de: Unitatea Executivă pentru Finanţarea Învăţământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării şi Inovării (UEFISCDI)

Contractor: Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM)

Status proiect: In desfasurare

Data de incepere: 24/06/2022

Data de finalizare: 23/06/2024

Rezumat:

Senzori optoelectrici multifunctionali se vor obtine pe baza de nucleere si crestere selectiva de straturi subtiri monoatomice de 2D-MoS2 pe suporti structurati de SiO2/Si prin metoda de depunere fizica din vapori. Structurarea suportilor se va face prin depunere de pad-uri de Mo inaintea cresterii de fulgi de MoS2. Localizarea precisa a fulgilor de 2D-MoS2 crescute selectiv permite fabricarea de senzori optoelectrici prin depunerea de contacte metalice utilizand tehnica fotolitografica cu aliniere la structurile suportului. Straturile subtiri mono-atomice de 2D-MoS2 sunt foarte sensibile la excitari externe precum iluminare sau molecule absorbite pe suprafata libera a stratului de 2D-MoS2. Utilizand substratul de Si ca electrod de poarta, (foto)sensibilitatea dispozitivului poate fi controlata si crescuta prin efect de camp. Bazati pe inalta sensibilitate exprimata prin proprietatile electrice si fotoelectrice, senzorii optoelectrici de 2D-MoS2 sunt recomandati pentru multe aplicatii practice, ca de exemplu biosenzori (detectia de proteine, compatibilitate ADN, acetona in respiratie pentru diabet, etc) si senzori chimici pentru monitorizarea poluarii. Validarea demonstratorului in acest proiect la nivel de TRL 3 include experimente de testare de fotocurent spectral, precum si de dopare electrostatica prin efect de camp si absorbtie de molecule de acetona.

Dr. Toma Stoica
Dr. Ciurea Lidia Magdalena
Dr. Ionel Stavarache
Dr. Adrian Slav
Dr. Ana-Maria Lepadatu
Dr. Elena Matei
Dr. Catalin Palade
Dr. Ioana Maria Avram Dascalescu
Doctorand Ovidiu Cojocaru

REZUMATUL ETAPEI 1

Scopul proiectului 2DOPTOSENS este fabricarea de senzori optoelectrici multifunctionali obtinuti prin nucleere si crestere selectiva de straturi subtiri 2D-MoS2 pe suporti structurati de SiO2/Si prin metoda de depure fizica din vapori.

Etapa 1/2022 are ca obiectiv principal pregatirea conditilor de realizare de depuneri selective de 2D-MoS2 si de fabricare de dispozitive optoelectronice in etapele urmatoare, prin studii privind parametrii de funtionare a reactorului 2D-MoS2 si probe test de depuneri pe suporti stucturati, precum si proiectare masti.Acest obiectiv a fost realizat prin activitatile propuse pentru Etapa 1 din Planul de Realizare: ● Calibrarea parametrilor de functionare ale reactorului 2D-MoS2; ● Cresteri PVD de 2D-MoS2 pe suporti test; ● Caracterizare statistica a cresterilor de 2D-MoS2; ● Caracterizare morfologica si de structura; ● Crearea paginii web a proiectului si actualizare permanenta.

In aceasta Etapa s-au facut experimente de aflarea parametrilor instalatiei, a performantelor depunerilor pe suporti structurati si nestructurati care au dus la intelegerea aprofundata a proceselor implicate in aceste cresteri de straturi 2D-MoS2 si stabilirea unor masuri de imbunatatire a depunerilor si a caracterizarilor lor. In primul rand s-au investigat parametrii si conditiilor de functionare ale instalatiei si ale procesului de depunere si s-au adus imbunatatiri micsorandu-se rata scaparilor cu peste un ordin de marime. Masuratorile de termogravimetrie au aratat stabilitatea pulberii de MoS2 pana la 1100oC in atmosfera inerta, dar si oxidarea ei la peste 500oC in atmosfera continand oxigen, demonstrand astfel importanta reducerii urmelor de oxigen in atmosfera de lucru, reactia de schimb de inlocuire a S de catre O fiind mai puternica cu cat presiunea partiala de oxigen este mai mare si cu cat temperatura este mai mare. Gradientul teperaturii in cuptor in interiorul tubului a fost calibrat in vederea evaluarii temperaturii probelor in timpul depunerilor. Compozitia si calitatea cristalina a sursei de MoS2 a fost testata prin masuratori Raman. Au fost realizate un numar de 10 depuneri test de 2D-MoS2 variind diversi parametri precum temperaturile setate la cele trei zone ale cuptorului (temperatura la pulberea de MoS2 setata intre intre 970oC si 1050oC), durata depunerii (30 – 720 min), fluxul de Ar (36 – 144 sccm) si presiunea de lucru (10 – 27 mbar). S-au folosit suporti de SiO2/Si de 1x1 cm2 cu strat de SiO2 de ~300nm grosime, fie structurati cu ferestre de SiO2 obtinute prin corodare chimica in HF, sau nestructurati. Statistica pe un numar de 12-18 probe/depunere a cresterilor selective prin nucleere in ferestrele de SiO2, precum si la marginea plachetelor a fost investigata prin microscopie optica. Gradientul de temperatura realizat in cuptorul cu trei zone asigura temperaturi de depunere tot mai scazute cu cat probele au fost situate la distante mai mari de zona cea mai fierbinte in care a fost plasata pulberea de MoS2. Depuneri selective consistente sunt observate de la 10 cm pana la 25 cm distanta fata de sursa de MoS2 la temperaturi sub 800oC si peste 630oC. Zona de eficienta maxima a depunerii se extinde si se deplaseaza usor la cresterea fluxului de Ar si scaderea presiunii de lucru. Masuratorile de imprastiere Raman au aratat ca urmele de oxigen in atmosfera de lucru au ca efect oxidarea depunerilor de MoS2 si transformarea acestora in MoO2 monoclinic. Prin scaderea scaparilor de vid s-au obtinut depuneri selective de MoS2 cristalin neoxidat. In aceasta etapa au fost efectuate si teste de depuneri folosind suporti structurati prin depunerea de straifuri de Mo metalic, care au aratat acumularea de MoS2 depus la marginea acestor straifuri. Pentru cresterea eficientei si a calitatii depunerilor de 2D-MoS2, se va urmari pe viitor cresterea gradientul de temperatura si a vidului limita. Pentru etapele urmatoare au fost proiectate masti fotolitografice pentru structurarea suportilor inaintea depunerilor si a electrozilor dispozitivelor pentru masuratori opoelectronice.

In concluzie, obiectivele si activitatile propuse pentru Etapa 1/2022 au fost integral realizate.

 

REZUMATUL ETAPEI 2

Scopul proiectului 2DOPTOSENS este fabricarea de senzori optoelectrici multifuncționali obținute prin creștere selectiva de straturi subțiri 2D-MoS2 pe suporți structurați de Mo/SiO2/Si.

Etapa 2/2023 are ca obiectiv principal Creșteri selective de 2D-MoS2 și realizarea de probe optoelectrice. Pentru atingerea obiectivelor Etapei 2 au fost desfășurate următoarele activități prevăzute în Planul de Realizare: ● Fabricare de suporți structurați; ● Creșteri selective de 2D-MoS2 pe suporți structurați; ● Investigații de morfologie și structură cristalină a creșterilor selective de 2D-MoS2; ● Fabricarea și optimizarea probelor test optoelectrice – partea I. ● Diseminare a rezultatelor și actualizarea paginii web a proiectului.

Activitățile din aceasta Etapa 2/2023 au urmărit realizarea de depuneri selective de bună calitate, pe suporți de SiO2/Si cu strat de Mo structurat. O prima activitate a constat în realizarea de îmbunătățiri aduse ale instalației de depunere: o izolare mai buna între zonele cuptorului, un vid de degazare mai bun prin folosirea unei pompe turbo, o îmbunătățire a etanșeități. O altă activitate de importantă practica in atingerea obiectivelor fazei a constat in fabricarea măștilor fotolitografice si probelor cu strat de Mo structurat prin fotolitogravură. Au fost obținute depuneri selective prin metoda PVD de 2D-MoS2 pe langă pad-urile de Mo, extinse la o distanță de la Mo de până la 160 µm, cu o grosime descrescătoare pana la 1-2 MLs. Printr-o analiză critică a mecanismului depunerilor PVD folosind pulbere de MoS2 ca precursor, s-a arătat ca mecanismul de baza nu este bine stabilit în literatură, la procesul PVD putând contribui CVT (chemical vapor transport), precum si Mo-CVD o depunere ce folosește oxidul de la Mo oxidat și vapori de sulf ca precursori. Prin Mo-CVD au rezultat depuneri selective restrânse la imediata vecinătate și în contact cu pad-urile de Mo. Rezultate bune au fost obținute folosind suporți structurați cu Mo oxidat nativ. S-a constatat ca oxidul nativ este suficient sa ducă la depuneri selective de 2D MoS2 care să umple spațiul (gap-ul) dintre electrozii de Mo de 5 µm pana la 20 µm lărgime. Prin măsurători SEM și AFM s-a putut arăta că aceste depuneri constă în fulgi de MoS2 de grosimi de 4 nm (6 MLs) în gapul de 5 µm, și de doar 1 – 2 MLs în gap-uri de 15 µm și 20 µm. Depunerile selective astfel realizate folosing suporți cu structuri de Mo de geometrie “fingers contacts” au putut fi folosite la fabricarea de dispositive cu efect de câmp direct din probele depuse, prin contactarea pad-urilor mari ale structurilor, servind ca electrozi sursă-drenă, și suportul de Si dopat ca electrod de poartă. Pe astfel de dispozitive s-au realizat teste/măsurători multiple de caracterizare. În aceste dispozitive, curentul de întuneric se reduce dramatic cu aproape 5 ordine de mărime la schimbarea tensiunii de poarta de la +7V la -7V, arătând caracterul de semiconductor de tip n al straturilor de 2D MoS2. Fotosenzitivitate relativă de ordinul 105(%) au fost atinse prin iluminare monocromatica de 4.5x10-4 mW/cm2 at 650 nm. Responsivitatea spectrală de 15 – 25 A/W at 600 nm lungime de undă au arătat un prag de fotosensitivitate la 1.72 – 1.77 eV corespunzând la 2 MLs MoS2 grosime.

In concluzie, obiectivele si activitatile propuse pentru Etapa 2/2023 au fost integral realizate.

 

Articole publicate in reviste cotate ISI

  • "Atomically thin MoS2 layers selectively grown on Mo patterned substrates for field effect controlled photosensors", I. Stavarache, C. Palade, A. Slav, I. Dascalescu, A.-M. Lepadatu, L. Trupina, E. Matei, M. L. Ciurea, T. Stoica, ACS Appl. Nano Mater. 2024, 7, 5, 5051–5062

Prezentari la conferinte internationale 

  • Prezentare orala: "Vapor transport growth of localized atomically thin 2D MoS2 layers",
    I. Stavarache, C. Palade, A. Slav, I. Dascalescu, A.-M. Lepadatu, E. Matei, M. L. Ciurea, T. Stoica
    International Semiconductor Conference CAS, 11–13 October 2023, Sinaia, Romania
  • Poster: "2D MoS2 selectively grown on the Mo patterned substrates for photosensitive field effect transistor", I. Stavarache, C. Palade, A. Slav, I. Dascalescu, A.-M. Lepadatu, L. Trupina, E. Matei, M. L. Ciurea, T. Stoica, ROCAM X Jubilee Conference, 15–18 July 2024, Bucharest, Romania

Persoana de contact:

Director proiect:  Dr. Toma Stoica

INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE - DEZVOLTARE PENTRU FIZICA MATERIALELOR, Str. Atomistilor Nr. 405A., 077125 Magurele, ROMANIA

Tel:+40--(0)21-2418-171

Email: toma.stoica@infim .ro


PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

Copyright © 2024 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved