Sulfurização de filmes de WO3 visando à obtenção do material semicondutor bidimensional WS2

Abstract

The subject of this work is the study of the WS2 growth process, by sulfurization of a sputter-deposited WO3 film, on silicon oxide (SiO2). The influence of different growth parameters will be discussed and demonstrated, such as growth using pure Ar as carrier gas and using an Ar/H2 mixture. Optimization of these parameters will also be performed, such as initial oxide thickness, sulfurization time and temperature. Different sulfurization configurations result in different WS2 products, such as triangular crystals and continuous films, making it possible to determine which process is most suitable for reproducible and large-scale growth. Ion beam analysis techniques were used, such as Rutherford backscattering spectrometry (RBS), to determine the amount of W and S. Raman spectrometry and X-Ray photoelectron spectroscopies (XPS), were used to investigate the formation of WS2. It was possible to develop a reproducible sulfurization process, which yelds an uniform growth of WS2, without loss of W, with total conversion of WO3 to sulfide, at a temperature and process time much lower than those reported in the literature. This process also enable the control of the number of layers, by the initial amount of W deposited by sputtering.

Este trabalho investiga o processo de crescimento de WS2 a partir da sulfurização de um filme de WO3 depositado, via sputtering, sobre óxido de silício (SiO2). Serão discutidas e demonstradas diferentes configurações de parâmetros do processo de sulfurização tais como crescimento sob presença apenas de Ar como gás de arraste e crescimento sob presença de Ar/H2. Também será buscada a otimização de alguns parâmetros do processo como controle de espessura e número de camadas via tempo de deposição por sputtering, tempo de duração e temperatura de set-point (SP). As diferentes configurações de sulfurização permitiram obter diferentes formações de WS2, como formações triangulares e também filmes, sendo possível assim determinar qual processo é mais indicado para um crescimento reprodutível e em larga escala. Foram usadas técnicas de análise por feixe de íons, como espectrometria de retroespalhamento Rutherford (RBS), para indicar a presença dos elementos como W e S e determinação de suas quantidades. Técnicas como espectrometria Raman e espectroscopia eletrônica para análise química (XPS), foram usadas para indicar que esses elementos estavam presentes na amostra sob a forma de WS2. A partir do método empregado foi possível obter um processo de sulfurização, reprodutível, que gera um crescimento de WS2 uniforme em larga escala, sem perda de W, com conversão total do WO3 em sulfeto, em uma temperatura e tempo de processo muito menores que os mostrados até então na literatura. O processo também possibilita o controle do número de camadas do material formado, através da quantidade de W depositada por sputtering.