Epitaxial growth of transition metal dichalcogenide

Epitaxial growth of transition metal dichalcogenide monolayers on  graphene and hexagonal boron nitride substrates R. Du; K. Kang; K. Godin; S. Chen; X. Wang and E. H. Yang Department of Mechanical Engineering

1. Motivation •

• •

Heterostructures made by stacking different two‐ dimensional (2D) materials enable advanced electronics  and optoelectronics. Goal: Chemical vapor deposition (CVD) growth of TMDs  on hBN and graphene. Result: Epitaxial CVD growth of TMDs on hBN and  graphene exhibiting in‐phase formation of  heterostructures without a post‐transfer process.

MRS 2016

• The photoluminescence (PL) mapping from monolayer MoS2 grown on hBN shows uniformity of the PL peak location at 1.88 eV. • PL peak of CVD grown MoS2 on hBN is 1.88eV, comparable to  free‐standing MoS2 flakes (1.90 eV), implying that our MoS2 is less  electrically disturbed than CVD grown MoS2 on SiO2 substrates [1]. • The PL full width half maximum (FWHM) of the samples is ~ 50  meV, showing the high crystallinity of grown MoS2 and the clean  interface realized between MoS2 and hBN [2].

4. WS2 on Graphene 2. Growth Scheme

2D

WS2

Direct CVD growth of WS2 on graphene

G

Electron beam evaporation UV Light

5nm WO3 Si/SiO2 substrate Ar, H2

Si/SiO2 substrate

WO3 Si/SiO2 substrate  with CVD‐graphene

graphene

Sulfur

Ar, H2 SiO2

850Ԩ

WS2 on Graphene

Direct CVD growth of MoS2 on hBN Electron beam evaporation 5nm MoO3 Si/SiO2 substrate Ar

MoO3

Sulfur

Ar WS2 on SiO2

Si/SiO2 substrate with  exfoliated hBN flakes

750Ԩ

Graphene

• False colored SEM image  shows large coverage of WS2 growth on graphene

3. MoS2 on hBN

• SAED (selected area electron  diffraction) shows in‐phase  growth (i.e. aligned crystal  orientation) of WS2 on graphene

5. Conclusion

E

C

 Direct CVD growth enables the formation of TMDs  monolayers onto different 2D layers without a layer‐transfer  process.

1.88 eV A

 TMD monolayers can be grown directly on graphene and hBN with high surface coverage.

D B

 MoS2 monolayers grown on hBN have a consistent PL peak  location, comparable to free‐standing MoS2 flakes. 1.88 eV 1.81 eV

 MoS2 monolayers grown on hBN show narrow PL FWHM,  implying high crystallinity of grown MoS2 and the clean  interface realized between MoS2 and hBN.

6. References [1] Yan, Aiming, et al. "Direct growth of single‐and few‐layer MoS2 on h‐BN with  preferred relative rotation angles." Nano letters 15.10 (2015): 6324‐6331. [2]  Okada, Mitsuhiro, et al. "Direct chemical vapor deposition growth of WS2  atomic layers on hexagonal boron nitride." ACS nano 8.8 (2014): 8273‐8277.