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IT201800002349A1 - METHOD FOR THE PRODUCTION OF THIN FILMS OF TRANSITION METAL DICALCOGENIDE - Google Patents

METHOD FOR THE PRODUCTION OF THIN FILMS OF TRANSITION METAL DICALCOGENIDE Download PDF

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Publication number
IT201800002349A1
IT201800002349A1 IT201800002349A IT201800002349A IT201800002349A1 IT 201800002349 A1 IT201800002349 A1 IT 201800002349A1 IT 201800002349 A IT201800002349 A IT 201800002349A IT 201800002349 A IT201800002349 A IT 201800002349A IT 201800002349 A1 IT201800002349 A1 IT 201800002349A1
Authority
IT
Italy
Prior art keywords
precursor
solution
substrate
process according
dicalcogenide
Prior art date
Application number
IT201800002349A
Other languages
Italian (it)
Inventor
Marco Fanciulli
Emiliano Bonera
Original Assignee
Univ Degli Studi Di Milano Bicocca
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Degli Studi Di Milano Bicocca filed Critical Univ Degli Studi Di Milano Bicocca
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/14Decomposition by irradiation, e.g. photolysis, particle radiation or by mixed irradiation sources
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C18/12Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/1204Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material inorganic material, e.g. non-oxide and non-metallic such as sulfides, nitrides based compounds
    • H10P14/668

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Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: Description of the industrial invention entitled:

“METODO PER LA PRODUZIONE DI FILM SOTTILI DI DICALCOGENURI DI METALLI DI TRANSIZIONE” "METHOD FOR THE PRODUCTION OF THIN FILMS OF TRANSITION METAL DICALCOGENIDE"

CAMPO DELL’INVENZIONE FIELD OF THE INVENTION

La presente invenzione si riferisce ad un metodo per produrre film di dicalcogenuri di metalli di transizione, aventi spessore di un singolo strato o di pochi strati di materiale, in particolare con geometria definita mediante scrittura diretta su un supporto. The present invention relates to a method for producing transition metal dicalcogenide films, having a thickness of a single layer or a few layers of material, in particular with geometry defined by direct writing on a support.

STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE

Negli ultimi anni i dicalcogenuri dei metalli di transizione sono stati oggetto di ricerche intensive per le proprietà elettroniche derivanti dalla loro struttura cristallina bidimensionale stratificata, simile a quella dei grafeni. In recent years, the dicalcogenides of transition metals have been the subject of intensive research for the electronic properties deriving from their layered two-dimensional crystalline structure, similar to that of graphenes.

In particolare, è stato osservato che mentre questi dicalcogenuri in forma massiva presentano un gap indiretto tra le bande di valenza e di conduzione, film sottili degli stessi materiali, di spessore di pochi strati o al limite di un monostrato, presentano un gap diretto, intendendo con “monostrato” uno strato corrispondente allo spessore di una cella elementare del materiale di interesse. In particular, it has been observed that while these dicalcogenides in massive form have an indirect gap between the valence and conduction bands, thin films of the same materials, with a thickness of a few layers or at the limit of a monolayer, have a direct gap, meaning with "monolayer" a layer corresponding to the thickness of an unit cell of the material of interest.

Il cambiamento della struttura delle bande conseguente alla riduzione dello spessore, da materiale massivo a film sottile, influenza in particolare le proprietà ottiche dei materiali, e permette la ricombinazione radiativa tra elettroni e buche rendendo il materiale adatto alla produzione di dispositivi quali diodi luminosi e laser; allo stesso modo, permette un’elevata efficienza di generazione di coppie buca-elettrone in seguito ad assorbimento di radiazione luminosa, rendendo il materiale adatto all’impiego in celle fotovoltaiche. Altre applicazioni sono state ipotizzate e verificate sperimentalmente nel campo dell’elettronica, energetica e sensoristica. The change in the structure of the bands resulting from the reduction in thickness, from massive material to thin film, affects in particular the optical properties of the materials, and allows the radiative recombination between electrons and holes making the material suitable for the production of devices such as light diodes and lasers ; in the same way, it allows a high efficiency of generation of hole-electron pairs following absorption of light radiation, making the material suitable for use in photovoltaic cells. Other applications have been hypothesized and experimentally verified in the fields of electronics, energy and sensors.

Dicalcogenuri utili per queste applicazioni sono per esempio i disolfuri di molibdeno, tungsteno o niobio (rispettivamente MoS2, WS2 e NbS2) o i seleniuri degli stessi metalli (MoSe2, WSe2 e NbSe2). Particolarmente interessante e ampiamente studiato è il disolfuro di molibdeno e la ricerca si è concentrata soprattutto su questo materiale. Dicalcogenides useful for these applications are for example the disulfides of molybdenum, tungsten or niobium (respectively MoS2, WS2 and NbS2) or the selenides of the same metals (MoSe2, WSe2 and NbSe2). Particularly interesting and extensively studied is molybdenum disulfide and research has mainly focused on this material.

Film sottili di MoS2 sono stati prodotti secondo un’ampia varietà di tecniche. Per esempio, questi film sottili sono stati prodotti per esfoliazione dal materiale massivo, sia per via meccanica, per esempio tramite la rimozione di strati superficiali del materiale con l’impiego di nastri adesivi; sia per via chimica, per esempio con metodi di esfoliazione tramite intercalazione di metalli alcalini o alcalino-terrosi (metodo seguito nella domanda di brevetto WO 2015/102191 A1) o esfoliazione in soluzione. Questi metodi hanno lo svantaggio di non permettere una integrazione percorribile ed efficace in un processo industriale basato su tali materiali. MoS2 thin films have been produced according to a wide variety of techniques. For example, these thin films have been produced by exfoliation from the massive material, both mechanically, for example by removing surface layers of the material with the use of adhesive tapes; either chemically, for example with methods of exfoliation through intercalation of alkaline or alkaline-earth metals (method followed in patent application WO 2015/102191 A1) or exfoliation in solution. These methods have the disadvantage of not allowing a viable and effective integration in an industrial process based on these materials.

Un approccio alternativo è la sintesi diretta del film sottile su un substrato, che può essere realizzata secondo vari metodi. An alternative approach is the direct synthesis of the thin film on a substrate, which can be accomplished according to various methods.

Un primo metodo è la Chemical Vapor Deposition (CVD), come descritto per esempio nell’articolo “Atomic-Scale Structure of Single-Layer MoS2 Nanoclusters”, S. Helveg et al, Phys. Rev. Lett.2000, 84, 951−954. A first method is Chemical Vapor Deposition (CVD), as described for example in the article "Atomic-Scale Structure of Single-Layer MoS2 Nanoclusters", S. Helveg et al, Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 951−954.

Una seconda possibilità è la sulfurizzazione di ossidi di molibdeno, come descritto per esempio nell’articolo “Two-Dimensional Nanosheet Crystals”, J. Seo et al, Angew. Chem., Int. Ed.2007, 46, 8828−8831. A second possibility is the sulfurization of molybdenum oxides, as described for example in the article "Two-Dimensional Nanosheet Crystals", J. Seo et al, Angew. Chem., Int. Ed. 2007, 46, 8828−8831.

Tali metodi sono però complessi ed utilizzano spesso gas di processo pericolosi. However, these methods are complex and often use hazardous process gases.

Infine, un altro metodo per la sintesi diretta di film sottili di dicalcogenuri prevede il deposito su un substrato di un precursore contenente atomi di Mo e S, e successiva termolisi del precursore. Finally, another method for the direct synthesis of thin films of dicalcogenides involves the deposition on a substrate of a precursor containing Mo and S atoms, and subsequent thermolysis of the precursor.

L’articolo “MoSx thin films by thermolysis of a single-source precursor”, J. Pütz et al, Journal of Sol-Gel Science and Technology 19, 821–824, 2000 descrive la produzione di film sottili di MoS2 tramite spin coating su un substrato di una soluzione di diammonio tetratiomolibdato ((NH4)2MoS4) in vari solventi amminici, asciugatura del film liquido in forno, e decomposizione del precursore a pressione ridotta e sotto atmosfera riducente contenente idrogeno a temperature comprese tra 300 e 800 °C. The article "MoSx thin films by thermolysis of a single-source precursor", J. Pütz et al, Journal of Sol-Gel Science and Technology 19, 821–824, 2000 describes the production of thin films of MoS2 by spin coating on a substrate of a solution of diammonium tetratiomolybdate ((NH4) 2MoS4) in various amine solvents, drying of the liquid film in an oven, and decomposition of the precursor under reduced pressure and under a reducing atmosphere containing hydrogen at temperatures between 300 and 800 ° C.

L’articolo “Growth of large-area and highly crystalline MoS2 thin layers on insulating substrates”, K.-K. Liu et al, Nano Letters, 2012, 12 (3), 1538–1544 descrive una modifica del metodo dell’articolo precedente, in cui il film, dopo la sua preparazione, viene sottoposto ad un trattamento di ricottura (o meglio, di “annealing”, termine comunemente usato nel settore) a temperature comprese tra 500 e 1000 °C prima in un’atmosfera mista Ar/H2, e poi in un’atmosfera di Ar contenente vapori di zolfo; lo scopo di quest’ultimo trattamento è quello di “riparare” difetti della struttura di MoS2, dovuti alla presenza di impurezze di carbonio, formati durante la produzione iniziale del film. The article "Growth of large-area and highly crystalline MoS2 thin layers on insulating substrates", K.-K. Liu et al, Nano Letters, 2012, 12 (3), 1538-1544 describes a modification of the method of the previous article, in which the film, after its preparation, is subjected to an annealing treatment (or rather, of " annealing ”, term commonly used in the sector) at temperatures between 500 and 1000 ° C first in a mixed Ar / H2 atmosphere, and then in an Ar atmosphere containing sulfur vapors; the purpose of the latter treatment is to "repair" defects in the MoS2 structure, due to the presence of carbon impurities, formed during the initial production of the film.

I metodi che partono da composti precursori contenenti Mo e S sono vantaggiosi rispetto a quelli precedenti, ma devono essere realizzati in atmosfere controllate, in particolare riducenti, perché le specie intermedie che si formano nella termolisi sono facilmente ossidabili, e in presenza di ossigeno o composti gassosi ossigenati darebbero luogo ad ossidi alterando così la composizione del film rispetto a quella desiderata. The methods that start from precursor compounds containing Mo and S are advantageous compared to the previous ones, but must be carried out in controlled atmospheres, in particular reducing ones, because the intermediate species that are formed in thermolysis are easily oxidizable, and in the presence of oxygen or compounds oxygenated gases would give rise to oxides thus altering the composition of the film with respect to the desired one.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo di produzione di film di dicalcogenuri di metalli di transizione di spessore da uno a pochi strati atomici tramite foto-termolisi di precursori, che superi i problemi della tecnica nota evitando la necessità di effettuare la trasformazione da precursore a dicalcogenuro in atmosfera controllata. The object of the present invention is to provide a method for producing transition metal dicalcogenide films having a thickness of from one to a few atomic layers by means of precursor photo-thermolysis, which overcomes the problems of the known art avoiding the need to carry out the transformation from precursor to dicalcogenide in a controlled atmosphere.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE SUMMARY OF THE INVENTION

Secondo la presente invenzione, questo scopo viene raggiunto con un processo di produzione di uno strato di un dicalcogenuro di un metallo di transizione di spessore da una a poche celle elementari tramite decomposizione di un composto precursore, che comprende i seguenti passaggi: According to the present invention, this object is achieved with a process of producing a layer of a dicalcogenide of a transition metal having a thickness of from one to a few elementary cells by decomposition of a precursor compound, which includes the following steps:

a) preparazione di una soluzione formata da un solvente e un composto precursore contenente il metallo e l’elemento calcogeno desiderati; b) deposizione della soluzione del passaggio a) su un substrato tramite spincoating o per immersione del substrato nella soluzione, con formazione di un film di detta soluzione sul substrato; a) preparation of a solution consisting of a solvent and a precursor compound containing the desired metal and chalcogen element; b) deposition of the solution of step a) on a substrate by spincoating or by immersion of the substrate in the solution, with the formation of a film of said solution on the substrate;

c) evaporazione del solvente del film di soluzione ottenuto nel passaggio b) in atmosfera controllata a temperatura compresa tra 80 e 225 °C, con formazione di un deposito asciutto di precursore sul substrato; c) evaporation of the solvent of the solution film obtained in step b) in a controlled atmosphere at a temperature between 80 and 225 ° C, with the formation of a dry deposit of precursor on the substrate;

d) decomposizione del deposito asciutto di precursore ottenuto nel passaggio c) a formare il dicalcogenuro metallico desiderato; d) decomposition of the dry deposit of precursor obtained in step c) to form the desired metal dicalcogenide;

caratterizzato dal fatto che il passaggio d) viene realizzato tramite irraggiamento con laser di detto deposito asciutto di precursore. characterized in that step d) is carried out by laser irradiation of said dry precursor deposit.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

L’invenzione verrà descritta con riferimento alle Figure, in cui: The invention will be described with reference to the Figures, in which:

- la Fig. 1 mostra una microfotografia di un campione dell’invenzione, che mette in evidenza la zona di precursore trattata con laser; - Fig. 1 shows a photomicrograph of a sample of the invention, which highlights the precursor area treated with laser;

- la Fig.2 mostra lo spettro Raman di un campione di MoS2 ottenuto secondo l’invenzione e di un campione dello stesso materiale ottenuto secondo un metodo della tecnica nota; - Fig.2 shows the Raman spectrum of a sample of MoS2 obtained according to the invention and of a sample of the same material obtained according to a method of the known technique;

- la Fig. 3 riporta tre spettri Raman per il materiale, MoS2, bulk (A), per un tristrato (B) e per un bistrato (C), questi ultimi due ottenuti secondo l’invenzione; - Fig. 3 shows three Raman spectra for the material, MoS2, bulk (A), for a tri-layer (B) and for a bilayer (C), the latter two obtained according to the invention;

- la Fig. 4 mostra una microfotografia di un campione dell’invenzione trattato con laser UV che mette in evidenza la zona di precursore trattata con laser; - Fig. 4 shows a photomicrograph of a sample of the invention treated with UV laser which highlights the precursor area treated with laser;

- la Fig. 5 mostra lo spettro Raman di un campione di WS2 ottenuto secondo l’invenzione. - Fig. 5 shows the Raman spectrum of a WS2 sample obtained according to the invention.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Nella descrizione e nelle rivendicazioni, i seguenti termini sono da intendersi come specificato: In the description and claims, the following terms are meant as specified:

- “calcogeno”: un elemento del gruppo 16 della tavola periodica, ad eccezione dell’ossigeno; - "chalcogen": an element of group 16 of the periodic table, with the exception of oxygen;

- “dicalcogenuro”: un composto tra un calcogeno e un metallo di transizione, in cui il rapporto atomico tra detti calcogeno e metallo è 2:1. - "dicalcogenide": a compound between a chalcogen and a transition metal, in which the atomic ratio between said chalcogen and metal is 2: 1.

I passaggi da a) a c) del processo sono realizzati con metodi noti nel settore, per cui vengono descritti di seguito solo sommariamente. The steps from a) to c) of the process are carried out with methods known in the field, therefore they are only briefly described below.

Nel passaggio a) del processo dell’invenzione viene prodotta la soluzione del precursore del composto finale di interesse. La soluzione viene preparata sciogliendo un precursore in un adatto solvente, con valori di concentrazione compresi generalmente tra 0,5 e 2% p/v nel caso di una soluzione da impiegare tramite immersione del substrato nella stessa (tecnica di “dip-coating”), e tra 0,1 e 0,2% p/v nel caso di una soluzione da impiegare nella tecnica di spin-coating; le concentrazioni indicate come “% p/v” indicano il peso in grammi di soluto per 100 mL di solvente. I precursori sono generalmente sali di alchilammonio, o più comunemente sali di ammonio, di anioni costituiti da zolfo o selenio e dal metallo di interesse, come per esempio i composti (NH4)2MoS4, (NH4)2WS4, (NH4)2MoSe4 e (NH4)2WSe4. I solventi preferiti per la preparazione delle soluzioni sono dimetilformammide (DMF), N-metil-2-pirrolidone (NMP), e glicole etilenico. In step a) of the process of the invention, the solution of the precursor of the final compound of interest is produced. The solution is prepared by dissolving a precursor in a suitable solvent, with concentration values generally between 0.5 and 2% w / v in the case of a solution to be used by immersing the substrate in the same ("dip-coating" technique) , and between 0.1 and 0.2% w / v in the case of a solution to be used in the spin-coating technique; concentrations indicated as “% w / v” indicate the weight in grams of solute per 100 mL of solvent. The precursors are generally alkylammonium salts, or more commonly ammonium salts, of anions consisting of sulfur or selenium and the metal of interest, such as the compounds (NH4) 2MoS4, (NH4) 2WS4, (NH4) 2MoSe4 and (NH4 ) 2WSe4. The preferred solvents for the preparation of the solutions are dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and ethylene glycol.

Nel passaggio b), il substrato su cui si vuole produrre lo strato di dicalcogenuro viene rivestito da un film della soluzione sopra descritta. In step b), the substrate on which the dicalcogenide layer is to be produced is coated with a film of the solution described above.

Il substrato è generalmente un wafer di allumina o di silicio ricoperto con un ossido di silicio termico (cioè uno strato sottile di ossido di silicio formato sulla superficie di un substrato di silicio per trattamento termico di quest’ultimo in atmosfera ossidante). The substrate is generally an alumina or silicon wafer coated with a thermal silicon oxide (i.e. a thin layer of silicon oxide formed on the surface of a silicon substrate by heat treatment of the latter in an oxidizing atmosphere).

La deposizione della soluzione sul substrato viene realizza tramite spincoating o per immersione del substrato nella soluzione. Nel caso dello spin-coating tipicamente il substrato ha forma circolare; al centro del substrato viene depositata una quantità di soluzione di circa 10 µL, e il substrato viene poi messo in rotazione con velocità compresa tra 3000 e 4000 rpm per un tempo compreso tra 30 e 120 secondi. Nel caso del dip-coating, il substrato viene immerso in verticale nella soluzione e poi estratto dalla stessa, verticalmente o con angolo variabile fino a 30° rispetto alla verticale, con velocità compresa tra 0,2 e 0,5 mm/sec, eventualmente con più cicli di immersione/estrazione. The deposition of the solution on the substrate is achieved by spincoating or by immersion of the substrate in the solution. In the case of spin-coating, the substrate typically has a circular shape; at the center of the substrate a quantity of solution of about 10 µL is deposited, and the substrate is then put in rotation with a speed between 3000 and 4000 rpm for a time between 30 and 120 seconds. In the case of dip-coating, the substrate is immersed vertically in the solution and then extracted from it, vertically or with a variable angle up to 30 ° with respect to the vertical, with a speed between 0.2 and 0.5 mm / sec, possibly with multiple immersion / extraction cycles.

Nel passaggio c) del processo il film di soluzione così ottenuto viene fatto asciugare in atmosfera controllata, per esempio di azoto, ad una temperatura compresa tra 80 e 225 °C; l’operazione richiede normalmente tempi di circa 5 minuti. Si ottiene in questo modo un deposito sottile, asciutto, del solo precursore sul substrato. In step c) of the process, the solution film thus obtained is dried in a controlled atmosphere, for example of nitrogen, at a temperature of between 80 and 225 ° C; the operation normally takes about 5 minutes. In this way, a thin, dry deposit of only the precursor on the substrate is obtained.

Caratterizzante del processo dell’invenzione è il passaggio d), in cui viene realizzata la decomposizione del film di precursore ottenuto nel passaggio c) con formazione del dicalcogenuro metallico desiderato. Characterizing of the process of the invention is step d), in which the decomposition of the precursor film obtained in step c) is carried out with the formation of the desired metal dicalcogenide.

A differenza dei metodi di decomposizione della tecnica nota, secondo l’invenzione questo passaggio viene realizzato tramite irraggiamento laser. Non è stato ancora chiarito se la decomposizione tramite laser avvenga in base ad un meccanismo di termolisi o di fotolisi. Unlike the decomposition methods of the known art, according to the invention this step is carried out by laser irradiation. It has not yet been clarified whether laser decomposition occurs on the basis of a thermolysis or photolysis mechanism.

Gli inventori hanno però osservato che operando secondo l’invenzione, cioè realizzando il passaggio d) tramite irraggiamento laser, si ottengono strati di dicalcogenuri aventi le proprietà desiderate operando in aria, evitando quindi la necessità di lavorare sotto atmosfera di idrogeno (o altre atmosfere controllate). However, the inventors have observed that by operating according to the invention, i.e. by carrying out step d) by laser irradiation, layers of dicalcogenides having the desired properties are obtained by operating in air, thus avoiding the need to work under a hydrogen atmosphere (or other controlled atmospheres ).

La decomposizione del precursore a formare il corrispondente dicalcogenuro avviene in modo selettivo nella zona irraggiata col laser. Con il metodo dell’invenzione è quindi possibile convertire tutto il precursore tramite scansione del laser su tutta la superficie, per esempio operando in sequenza su linee parallele. The decomposition of the precursor to form the corresponding dicalcogenide occurs selectively in the area irradiated with the laser. With the method of the invention it is therefore possible to convert the entire precursor by scanning the laser over the entire surface, for example by operating in sequence on parallel lines.

Il metodo mette però a disposizione un’opportunità alternativa, non accessibile tramite i metodi di decomposizione termica della tecnica nota, che è quella di ottenere strati sottili sagomati (o, con un termine comune nel settore, “patternati”), aventi una geometria desiderata sul substrato. In questa seconda modalità operativa, dopo aver realizzato la formazione selettiva del dicalcogenuro nelle zone desiderate, è possibile rimuovere il precursore non convertito tramite dissoluzione, generalmente con gli stessi solventi impiegati nel passaggio a), in cui i dicalcogenuri metallici oggetto dell’invenzione risultano insolubili, ottenendo quindi come risultato del processo un substrato su cui è presente solo un deposito di geometria prefissata del dicalcogenuro di interesse. However, the method provides an alternative opportunity, not accessible through the thermal decomposition methods of the known art, which is to obtain shaped thin layers (or, with a common term in the sector, "patterned"), having a desired geometry on the substrate. In this second operating mode, after having carried out the selective formation of the dicalcogenide in the desired zones, it is possible to remove the unconverted precursor by dissolution, generally with the same solvents used in step a), in which the metal dicalcogenides object of the invention are insoluble , thus obtaining as a result of the process a substrate on which only a deposit of predetermined geometry of the dicalcogenide of interest is present.

Per ottenere la decomposizione del precursore, il laser deve avere una densità di potenza minima che può variare a seconda della lunghezza d’onda di eccitazione. Tipicamente per una eccitazione a 2.3 eV la densità di potenza minima è dell’ordine di 10<5>W/cm<2>. To obtain the decomposition of the precursor, the laser must have a minimum power density that can vary depending on the excitation wavelength. Typically for an excitation at 2.3 eV, the minimum power density is of the order of 10 <5> W / cm <2>.

L’invenzione verrà ulteriormente illustrata dai seguenti esempi. Per la realizzazione degli esempi e delle caratterizzazioni, sono stati usati i seguenti strumenti ed apparecchiature: The invention will be further illustrated by the following examples. For the realization of the examples and characterizations, the following tools and equipment were used:

- Spin-coater SCS Speciality Coating Systems 6708D; - Spin-coater SCS Specialty Coating Systems 6708D;

- Irraggiatore laser a 532 nm: Lightwave Electronics 142 H-532-200; - 532 nm laser beam: Lightwave Electronics 142 H-532-200;

- Microscopio ottico con obiettivo Olympus MPlan N 100x/0.90NA; - Optical microscope with Olympus MPlan N 100x / 0.90NA objective;

- Spettrometro Raman Jobin-Yvon T6400. - Jobin-Yvon T6400 Raman spectrometer.

ESEMPIO 1 EXAMPLE 1

Sono stati preparati tre campioni di disolfuro di molibdeno secondo le modalità dell’invenzione. Three molybdenum disulfide samples were prepared according to the methods of the invention.

Un substrato di SiO2 (strato di 200 nm di SiO2 cresciuto per via termica su silicio) è stato preventivamente lavato a 80 °C per 40 minuti con la cosiddetta “soluzione piranha”, costituita da 7 parti in volume di H2SO4 (purezza 99% in peso) e 3 parti in volume di H2O2 (soluzione in acqua al 30% in peso); il substrato è stato poi sciacquato in acqua deionizzata per 5 minuti e di seguito con isopropanolo per 5 minuti; l’isopropanolo è stato infine rimosso dal substrato tramite flusso di azoto. A SiO2 substrate (200 nm layer of SiO2 grown thermally on silicon) was previously washed at 80 ° C for 40 minutes with the so-called "piranha solution", consisting of 7 parts by volume of H2SO4 (purity 99% in weight) and 3 parts by volume of H2O2 (solution in water at 30% by weight); the substrate was then rinsed in deionized water for 5 minutes and then with isopropanol for 5 minutes; isopropanol was finally removed from the substrate by nitrogen flow.

A parte è stata preparata la soluzione del precursore, sciogliendo 11,0 mg di ammonio tetratiomolibdato, (NH4)2MoS4 (Carlo Erba, no. catalogo 15060-55-6, purezza 99,99%), in 5,526 g di etanolo. La soluzione è stata scaldata sotto agitazione magnetica in un bagno d’olio a 70 °C per 20 minuti e poi filtrata utilizzando un filtro da 0,2 µm. The precursor solution was prepared separately by dissolving 11.0 mg of ammonium tetratiomolybdate, (NH4) 2MoS4 (Carlo Erba, catalog no. 15060-55-6, purity 99.99%), in 5.526 g of ethanol. The solution was heated under magnetic stirring in an oil bath at 70 ° C for 20 minutes and then filtered using a 0.2 µm filter.

La soluzione del precursore è stata depositata sui substrati tramite spincoating, all’interno di una camera con atmosfera controllata inerte (azoto) e priva di umidità. Su ogni substrato sono stati depositati 5 µL di soluzione; lo spin-coating è stato realizzato a 200 rpm per 30 s; è stato poi lasciato evaporare l’etanolo. The precursor solution was deposited on the substrates by spincoating, inside a chamber with a controlled inert atmosphere (nitrogen) and free of humidity. 5 µL of solution were deposited on each substrate; spin-coating was performed at 200 rpm for 30 s; the ethanol was then left to evaporate.

Ognuno dei campioni così ottenuti è stato irraggiato in aria con laser (luce di lunghezza d’onda 532 nm) in modalità continua, con una potenza di 0,6 mW, focalizzando la radiazione con un obiettivo con apertura numerica 0,75. Sono state trattate aree di circa 10 × 20 m<2>, ottenendo campioni di strati di dicalcogenuro come mostrato nella microfotografia in Fig.1, dove la barra bianca è lunga 2 µm. Each of the samples thus obtained was irradiated in the air with a laser (light with a wavelength of 532 nm) in a continuous mode, with a power of 0.6 mW, focusing the radiation with an objective with a numerical aperture of 0.75. Areas of about 10 × 20 m <2> were treated, obtaining samples of dicalcogenide layers as shown in the photomicrograph in Fig.1, where the white bar is 2 µm long.

Lo strato di MoS2 risultante è stato caratterizzato mediante spettroscopia Raman; lo spettro viene mostrato in Fig. 2, spettro A, insieme ad uno spettro di un campione ottenuto con tecnica di esfoliazione, spettro B, confermando che il campione ottenuto è costituito dal composto desiderato. The resulting MoS2 layer was characterized by Raman spectroscopy; the spectrum is shown in Fig. 2, spectrum A, together with a spectrum of a sample obtained with the exfoliation technique, spectrum B, confirming that the sample obtained is made up of the desired compound.

Come noto nel settore (si veda per esempio l’articolo di K.-K. Liu et al citato), è possibile misurare il numero di strati (celle elementari) del film di MoS2 ottenuto tramite la misura della differenza di energia tra i massimi dei due picchi caratteristici dello spettro Raman del materiale, uno centrato tra circa 380 e 382 cm<-1>e l’altro tra circa 404 e 406 cm<-1>; la Fig. 3 riporta tre spettri per il materiale bulk (A), per un tristrato (B) e per un bistrato (C). As known in the sector (see for example the article by K.-K. Liu et al cited), it is possible to measure the number of layers (elementary cells) of the MoS2 film obtained by measuring the energy difference between the maxima of the two characteristic peaks of the Raman spectrum of the material, one centered between about 380 and 382 cm <-1> and the other between about 404 and 406 cm <-1>; Fig. 3 reports three spectra for the bulk material (A), for a tri-layer (B) and for a bilayer (C).

ESEMPIO 2 EXAMPLE 2

Sono stati realizzati campioni di MoS2 con un processo identico a quello descritto nell’esempio precedente ad eccezione del laser. È stato infatti impiegato un laser pulsato nell’UV ( = 351 nm e spot di circa 60 m di diametro) LCS-DTL368QT (LASER EXPORT) utilizzato a 3 kHz di frequenza (durata impulso 6,6 ns). La dimensione dello spot ha consentito di far transire una area più grande di precursore con un unico irraggiamento; la Fig. 4 mostra due spot del laser UV sul precursore. Gli spettri Raman confermano la trasformazione a MoS2 del precursore. MoS2 samples were made with a process identical to that described in the previous example with the exception of the laser. In fact, a pulsed UV laser was used (= 351 nm and spot of about 60 m in diameter) LCS-DTL368QT (LASER EXPORT) used at 3 kHz frequency (pulse duration 6.6 ns). The size of the spot allowed a larger area of the precursor to pass through with a single irradiation; Fig. 4 shows two spots of the UV laser on the precursor. Raman spectra confirm the MoS2 transformation of the precursor.

ESEMPIO 3 EXAMPLE 3

È stata ripetuta la procedura dell’Esempio 1, con l’unica differenza che come precursore è stato usato ammonio tetra-tio-tungstato, (NH4)2WS4 (Sigma Aldirch, no. catalogo 336734, purezza 99,9+%), e il film risultante è costituito da WS2. The procedure of Example 1 was repeated, with the only difference that ammonium tetra-thio-tungstate, (NH4) 2WS4 (Sigma Aldirch, catalog no. 336734, purity 99.9 +%) was used as the precursor, and the resulting film consists of WS2.

Il campione ottenuto è stato caratterizzato mediante spettroscopia Raman; lo spettro risultante è mostrato in Fig. 5; questo spettro, per confronto con dati di letteratura, conferma che il campione ottenuto è WS2. The sample obtained was characterized by Raman spectroscopy; the resulting spectrum is shown in Fig. 5; this spectrum, by comparison with literature data, confirms that the sample obtained is WS2.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI 1. Processo di produzione di uno strato di un dicalcogenuro di un metallo di transizione di spessore da una a poche celle elementari tramite decomposizione di un composto precursore, che comprende i seguenti passaggi: a) preparazione di una soluzione formata da un solvente e un composto precursore contenente il metallo e l’elemento calcogeno desiderati; b) deposizione della soluzione del passaggio a) su un substrato tramite spincoating o per immersione del substrato nella soluzione, con formazione di un film di detta soluzione sul substrato; c) evaporazione del solvente del film di soluzione ottenuto nel passaggio b) in atmosfera controllata a temperatura compresa tra 80 e 225 °C, con formazione di un deposito asciutto di precursore sul substrato; d) decomposizione del deposito asciutto di precursore ottenuto nel passaggio c) a formare il dicalcogenuro metallico desiderato; caratterizzato dal fatto che il passaggio d) viene realizzato tramite irraggiamento con laser di detto deposito asciutto di precursore. CLAIMS 1. Process of producing a layer of a dicalcogenide of a transition metal of thickness from one to a few elementary cells by decomposition of a precursor compound, which includes the following steps: a) preparation of a solution consisting of a solvent and a precursor compound containing the desired metal and chalcogen element; b) deposition of the solution of step a) on a substrate by spincoating or by immersion of the substrate in the solution, with the formation of a film of said solution on the substrate; c) evaporation of the solvent of the solution film obtained in step b) in a controlled atmosphere at a temperature between 80 and 225 ° C, with the formation of a dry deposit of precursor on the substrate; d) decomposing the dry deposit of precursor obtained in step c) to form the desired metal dicalcogenide; characterized in that step d) is carried out by laser irradiation of said dry deposit of precursor. 2. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui la soluzione del passaggio a) è costituita da un precursore scelto tra (NH4)2MoS4, (NH4)2WS4, (NH4)2MoSe4 e (NH4)2WSe4 e un solvente scelto tra dimetilformammide (DMF), N-metil-2-pirrolidone (NMP), e glicole etilenico. 2. Process according to claim 1, wherein the solution of step a) consists of a precursor selected from (NH4) 2MoS4, (NH4) 2WS4, (NH4) 2MoSe4 and (NH4) 2WSe4 and a solvent selected from dimethylformamide (DMF ), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and ethylene glycol. 3. Processo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il substrato impiegato nel passaggio b) è un wafer di un materiale scelto tra allumina e di silicio ricoperto con un ossido di silicio termico. Process according to any one of the preceding claims, wherein the substrate used in step b) is a wafer of a material selected from alumina and silicon coated with a thermal silicon oxide. 4. Processo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui la deposizione di soluzione del passaggio b) viene realizzata tramite la tecnica di spin-coating, depositando sul substrato una soluzione di precursore avente una concentrazione compresa tra 0,1 e 0,2% p/v e mettendo in rotazione il substrato con velocità compresa tra 3000 e 4000 rpm per un tempo compreso tra 30 e 120 secondi. 4. Process according to any one of the preceding claims, in which the deposition of the solution of step b) is carried out by means of the spin-coating technique, depositing on the substrate a precursor solution having a concentration between 0.1 and 0.2% p / v and rotating the substrate with a speed between 3000 and 4000 rpm for a time between 30 and 120 seconds. 5. Processo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui la deposizione di soluzione del passaggio b) viene realizzata immergendo il substrato in una soluzione di precursore avente concentrazione compresa tra 0,5 e 2% p/v, verticalmente o con un angolo variabile fino a 30° rispetto alla verticale, con velocità compresa tra 0,2 e 0,5 mm/secondo. 5. Process according to any one of claims 1 to 3, in which the deposition of the solution of step b) is carried out by immersing the substrate in a precursor solution having a concentration between 0.5 and 2% w / v, vertically or with a variable angle up to 30 ° with respect to the vertical, with a speed between 0.2 and 0.5 mm / second. 6. Processo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui l’irraggiamento con laser del passaggio d) viene realizzato in aria. 6. Process according to any of the preceding claims, in which the laser irradiation of step d) is carried out in air. 7. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui detto irraggiamento viene effettuato su tutta la superficie di deposito di precursore. 7. Process according to claim 1, wherein said irradiation is carried out on the whole precursor deposit surface. 8. Processo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui detto irraggiamento viene effettuato selettivamente su alcune zone del deposito di precursore, ottenendo uno strato sagomato di dicalcogenuro del metallo di transizione. 8. Process according to any one of claims 1 to 6, wherein said irradiation is selectively carried out on some areas of the precursor deposit, obtaining a shaped layer of dicalcogenide of the transition metal. 9. Processo secondo la rivendicazione 8 in cui, dopo la realizzazione del passaggio d), il precursore non convertito in dicalcogenuro del metallo di transizione viene rimosso tramite dissoluzione con un solvente. Process according to claim 8 wherein, after carrying out step d), the precursor not converted into dicalcogenide of the transition metal is removed by dissolution with a solvent. 10. Strato di un dicalcogenuro di un metallo di transizione avente spessore da una a poche celle elementari, ottenuto tramite il processo di una qualunque delle rivendicazioni precedenti.10. Layer of a dicalcogenide of a transition metal having a thickness from one to a few elementary cells, obtained by the process of any one of the preceding claims.
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