(57)【要約】      （修正有）【課題】パターン化遷移金属ダイカルコゲナイド単層を直接成長させる方法の提供。【解決手段】１又は複数の成形された空隙空間により構成されるパターンを有するマスク１２で覆われた基板１１を設ける工程と、前記基板上の前記マスクの前記パターンに、成膜された塩が設けられるように、前記１又は複数の成形された空隙空間を通して当該基板上に塩を熱的に成膜する工程と、前記成膜された塩の上に遷移金属酸化物及びカルコゲンを熱的に共成膜して、前記マスクの前記パターンを有するパターン化遷移金属ダイカルコゲナイド単層を形成する工程と、を含む方法。また、該方法に従い作製されたパターン化遷移金属ダイカルコゲナイド単層も提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターン化遷移金属ダイカルコゲナイド単層を直接成長させる方法であって、該方法は、
１又は複数の成形された空隙空間により構成されるパターンを有するマスクに覆われた基板を設ける工程と、
前記マスクの前記パターンにおいて、前記基板上に、成膜された塩が設けられるように、前記１又は複数の成形された空隙空間を通して前記基板上に塩を熱的に成膜する工程と、
前記成膜された塩の上に遷移金属酸化物及びカルコゲンを熱的に共成膜して、前記マスクの前記パターンを有するパターン化遷移金属ダイカルコゲナイド単層を形成する工程と、
を含む、
方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記１又は複数の成形された空隙空間を通して前記基板上に前記塩を熱的に成膜する前記工程は、
前記マスクに覆われた前記基板の面が前記塩に接触するように、前記塩を有する第１のトレイ上に、前記マスクに覆われた前記基板を設ける工程と、
前記マスクに覆われた前記基板及び前記塩を、第１の温度に加熱する工程と、
を含む、
方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、
前記第１の温度は、約６００〜９００°Ｃである、
方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、
前記１又は複数の成形された空隙空間を通して前記基板上に前記塩を熱的に成膜する前記工程は、
加熱装置中において、第１のトレイ上に、前記マスクに覆われた前記基板の面が前記第１のトレイの反対側となるように、前記マスクに覆われた前記基板を設ける工程と、
前記加熱装置中に、前記塩を有する塩トレイを設ける工程と、
前記加熱装置を真空引きして、約２００ｍＴｏｒｒ以下まで減圧する工程と、
前記塩トレイを成膜温度まで独立して加熱する工程と、
を有し、
前記第１のトレイ上の前記マスクに覆われた前記基板は、前記成膜温度とは異なる冷たい温度に維持される、
方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、
前記冷たい温度は、約１００°Ｃ以下である、
方法。
【請求項６】
請求項４に記載の方法において、
前記成膜温度は、１００〜１１００°Ｃである、
方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、
前記成膜された塩の上に前記遷移金属酸化物及び前記カルコゲンを熱的に共成膜する工程は、
加熱装置中に前記成膜された塩を有する前記基板を設ける工程であって、前記成膜された塩を有する前記基板の面が前記遷移金属酸化物に接触するように、前記基板を、前記遷移金属酸化物を有する遷移金属酸化物トレイの上に設ける工程と、
前記加熱装置中において、不活性ガス流に対して前記遷移金属酸化物トレイの下流に、前記カルコゲンを有するカルコゲントレイを設ける工程と、
前記成膜された塩を有する前記基板及び前記遷移金属酸化物を、遷移金属酸化物温度に加熱する工程と、
前記カルコゲンを、カルコゲン温度に加熱する工程と、
を有し、
前記遷移金属酸化物温度は、前記カルコゲン温度とは異なる、
方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、
前記遷移金属酸化物温度は、約６００〜９００°Ｃである、
方法。
【請求項９】
請求項７に記載の方法において、
前記カルコゲン温度は、約５０〜３５０°Ｃである、
方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法において、
前記１又は複数の成形された空隙空間のそれぞれは、約１〜６００μｍのサイズを有する、
方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法において、
前記パターンは、２個以上の成形された空隙空間を有するアレイを備える、
方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法において、
前記塩は、ＮａＢｒを含む、
方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法において、
前記基板は、ＳｉＯ2及び／又はＳｉを含む、
方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法において、
前記遷移金属酸化物は、ＭｏＯ2、ＷＯ2、ＷＯ3及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、
方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、
前記遷移金属酸化物は、ＭｏＯ2である、
方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法において、
前記カルコゲンは、Ｓ、Ｓｅ及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、
方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、
前記カルコゲンは、Ｓである、
方法。
【請求項１８】
請求項１に記載の方法において、
前記パターン化遷移金属ダイカルコゲナイド単層は、ＭｏＳ2を含む、
方法。
【請求項１９】
基板を設ける工程と、
前記基板上に塩を成膜する工程と、
前記成膜した塩の上に遷移金属酸化物及びカルコゲンを成膜して、遷移金属ダイカルコゲナイド単層を形成する工程と、
を含む方法により作製される遷移金属ダイカルコゲナイド単層。
【請求項２０】
請求項１９に記載の遷移金属ダイカルコゲナイド単層において、
前記遷移金属ダイカルコゲナイド単層は、ＭｏＳ2を含む、
遷移金属ダイカルコゲナイド単層。
【請求項２１】
請求項１９に記載の遷移金属ダイカルコゲナイド単層において、
前記基板は、前記基板上に前記塩が熱的に成膜される前に、１又は複数の成形された空隙空間により構成されるパターンを有するマスクで覆われ、
前記マスクの前記パターンにおいて、前記基板上に、成膜された塩が設けられるように、前記塩は、前記１又は複数の成形された空隙空間を通して前記基板上に熱的に成膜され、
前記遷移金属酸化物及び前記カルコゲンは、前記成膜された塩の上に熱的に共成膜されて、前記マスクの前記パターンを有する前記遷移金属ダイカルコゲナイド単層が形成される、
遷移金属ダイカルコゲナイド単層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年５月３１日に出願された米国仮特許出願第６２／６７８，８０２号の優先権を主張する。当該優先権出願の開示内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
原子層遷移金属ダイカルコゲナイド（ＴＭＤｓ）には、有望な光電子工学的性質と触媒活性があり、そして新たな回路生成のために集中的に研究がなされている。回路中にＴＭＤを使用するためには、単層物質との低接触抵抗性を維持する事だけではなく、必要とされるパターン化を備えた微細リソグラフィプロセスとの適合性も求められる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、マスク解像度の問題だけではなく、要求される反応性イオンエッチングの問題もあり、リソグラフィプロセスの開発は複雑となり、これら問題は意図せずＴＭＤ単層の固有特性を変える可能性がある。ゆえに、大きな単層ドメインの合成だけではなく、回路設計にしたがった成長パターンの制御もこれら物質に対する継続的な課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
いくつかの態様によると、本開示は、パターン化ＴＭＤ単層の直接的成長方法に関するものであり、当該方法は、基板上に塩を成膜する工程を有する。当該基板はパターン化された形状を有するマスクにより覆われており、それにより基板上に事前に成膜してパターン化塩を形成させ、前記基板上の事前成膜されたパターン化塩の上に遷移金属酸化物とカルコゲンを熱的に共成膜して、事前成膜されたパターン化塩上にパターン化ＴＭＤ単層を形成させる。本開示はさらにＴＭＤ単層を作製する方法にも関するものであり、当該方法は、基板を設ける工程と、前記基板上に塩を成膜する工程と、成膜された塩の上に遷移金属酸化物とカルコゲンを成膜してＴＭＤ単層を形成する工程と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、本開示の一態様に従う、加熱された基板上にマスクを通してパターン化塩層を熱的に成膜するための手順の一例を示す。
【図２】図２は、本開示の一態様に従う、真空チャンバー中で冷たい基板上に、塩を熱的に成膜するための手順の一例を示す。
【図３】図３は、本開示の一態様に従う、基板上にパターン化ＴＭＤ単層を成膜するための手順の一例を示す。
【図４】図４は、本開示の一態様に従う、事前に成膜されたパターン化された塩と、成長したＭｏＳ2の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【図５】図５は、本開示の一態様に従う、成長したパターン化ＭｏＳ2のラマンスペクトル及びフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトル、並びにマッピングを示す。
【図６】図６は、本開示の一態様に従う、マスクを用いずに基板上に事前に成膜した塩を使用して成長する、基板スケールの連続するＭｏＳ2単層に関する光学画像及びＳＥＭ画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
添付の図面と関連付けて以下に記載される詳細な説明は、様々な構成の説明として意図されたものであり、本明細書に記載される概念を実施し得る唯一の構成を表すことを意図してはいない。詳細な説明には、様々な概念の完全な理解を提供することを目的とした具体的な詳細を含む。しかし当分野の当業者であれば、これら概念は、これら具体的な詳細が無くとも実施可能であることが明白であろう。
【０００７】
本開示は、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）及び／又は他の遷移金属ダイカルコゲナイド物質の原子層の直接パターン化成長のために新たに開発された方法を記載する。パターン化成長は、塩を中間体又はテンプレート材（ｔｅｍｐｌａｔｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ）として使用することにより実現された。特に、所望のパターンを有するマスクを通して基板上に塩を成膜してもよい。この方法により、事前に成膜した塩により生成されるパターンと同一の、様々なパターンの原子層ＭｏＳ2（又は他の金属ダイカルコゲナイド物質）の成長が行える。得られた物質は、走査型電子顕微鏡、並びにラマン分光法及びフォトルミネッセンス分光法により確認された。
【０００８】
本開示方法は、基板上に塩を成膜する工程であって、当該基板は、パターン化形状を有するマスクにより覆われており、当該基板上に事前に成膜してパターン化した塩が形成される工程、並びに前記事前成膜したパターン化した塩上に遷移金属酸化物及びカルコゲンを熱的に共成膜して、パターン化単層を形成する工程を含む。しかしながら、いくつかの態様によると、本明細書に記載の塩がパターンを有さずに成膜される場合もあることを理解されたい。例えば、いくつかの態様によると、本明細書に記載の方法は、マスクを用いずに実行されてもよく、従って、基板の全表面を覆うように塩が設けられる。この方法において、連続する遷移金属ダイカルコゲナイド物質は、基板上のほぼ全表面を覆って設けられる。
【０００９】
本開示は、遷移金属酸化物として二酸化モリブデン（ＭｏＯ2）を、カルコゲンとして硫黄（Ｓ）を使用して、パターン化ＭｏＳ2単層の直接成長を行う方法を記載するものであるが、本明細書に記載の方法に従い様々なパターン化単層が作製され得ることを理解されたい。例えばいくつかの態様によると、単層としては、本明細書に記載の遷移金属酸化物として二酸化タングステン（ＷＯ2）及び／又は三酸化タングステン（ＷＯ3）を使用し、さらに本明細書に記載のカルコゲンとしてセレニウム（Ｓｅ）を使用することにより、二硫化タングステン（ＷＳ2）及び／又は二セレン化モリブデン（ＭｏＳｅ2）を挙げることができる。
【００１０】
本明細書において使用される場合、「約」という用語は、当分野の当業者によって理解される程度において、近いと定義されるものである。１つの非限定的な実施形態において、「約」という用語は、１０％以内、好ましくは５％以内、より好ましくは１％以内、最も好ましくは０．５％以内であると定義される。
【００１１】
本明細書において使用される場合、「塩」という用語は、カチオンとアニオンを有する、電気的に中性のイオン化合物を指す。いくつかの態様によると、塩は、少なくとも部分的に、大きなサイズ（例えば約２０〜２００μｍ）のドメインを有する単層単結晶を提供することができ、及び／又はドメインの端を不動態化することにより、単層膜の成長の歪みを減少させることができる。理論に拘束されるものではないが、大きなサイズのドメインは、少なくとも部分的には、核生成をアシストし、及び／又は膜成長のモードを変化させる、特にフォルマー−ウェーバー（ＶＷ、すなわち島状成長）成長モード又はストランスキー−クラスタノフ（ＳＫ、すなわち、層−プラス−島状）成長モードをフランク−ファン−デル−メルヴェ（ＦＭ、すなわち、層状成長）成長モードへと変化させる塩により実現し得る。いくつかの態様によると、ＶＷ又はＳＫからＦＭへの遷移は、少なくとも部分的には基板表面の変化（例えば表面張力及び／又は湿潤性）及び／又は塩のカチオンによりもたらされる界面エネルギーに起因する場合がある。
【００１２】
本開示に従う有用な塩の例としては、限定されないが、例えばＮａＢｒ、ＮａＣｌ、ＫＢｒ、ＫＣｌ、及びそれらの組み合わせ等のナトリウム塩及びカリウム塩が挙げられる。本明細書においてＮａＢｒが例示的な塩として使用されているが、任意の適切な塩を、ＮａＢｒに加えて、又はＮａＢｒの代わりに使用され得ることを理解されたい。
【００１３】
いくつかの態様によると、基板は、本明細書に記載の方法に従う使用に適した任意の不活性物質であってもよい。本開示に従う有用な基板の例としては、限定されないが、ＳｉＯ2、Ｓｉ、ｃ−サファイア、フルオロフロゴパイト  マイカ（ｆｌｕｏｒｏｐｈｌｏｇｏｐｉｔｅ  ｍｉｃａ）、ＳｒＴｉＯ3、ｈ−ＢＮ、又はそれらの組み合わせを含有する、又はこれらからなる基板が挙げられる。ＳｉＯ2基板が本明細書において例示的基板として使用されているが、ＳｉＯ2に加えて、又はＳｉＯ2の代わりに任意の適切な基板が使用され得ることを理解されたい。
【００１４】
図１に示されるように、当該方法は、パターン化形状を有するマスク１２を有する、例えばＳｉ／ＳｉＯ2基板等の基板１１を、用意する工程を含む。本明細書において使用される場合、「マスク」という用語は、本明細書に記載のパターン化形状を設けるために適した任意の手段を指す。いくつかの態様によると、マスクは、基板のサイズに略相当するサイズを有し且つパターニングされたパターン化形状を備えた薄い物質を含む。いくつかの態様によると、マスクは、約０．０１〜０．５ｍｍ、任意で約０．０１〜０．４ｍｍ、或いは約０．３ｍｍの厚さを有してもよい。いくつかの態様によると、マスクは、例えばステンレススチール等の金属合金を含んでもよい。いくつかの態様によると、パターン化形状は、マスク中の単一の成形された空隙空間、又は成形された空隙空間のアレイにより規定される。空隙空間は、任意の形状の空間であってもよく、また好適なサイズ（例えば１００ｎｍ〜１ｃｍ）にされる。それによって、マスクが設けられる基板の面の表面積よりも小さい領域を画定する。いくつかの態様によると、パターン化形状は、成形された空隙空間の２０ｘ２０個で構成される２０ｘ２０のアレイ、任意で１５ｘ１５のアレイ、任意で１０ｘ１０のアレイ、及び任意で５ｘ５のアレイにより規定されてもよい。いくつかの態様によると、空隙空間は、略丸く、約１〜６００μｍ、任意で約１００〜５００μｍ、任意で約２００〜４００μｍ、及び任意で約３００μｍの直径を有する。
【００１５】
いくつかの態様によると、マスク１２に覆われたＳｉ／ＳｉＯ2基板１１の面が塩に接触する（或いは、「フェイスダウン（ｆａｃｅ  ｄｏｗｎ）」配置として本明細書に記載される）ように、マスク１２により覆われたＳｉ／ＳｉＯ2基板１１は、例えばＮａＢｒ等の塩を有する第１のトレイ１３の上に設けられる。第１のトレイ１３は、任意の形状及びサイズのものであってよい。「トレイ」という用語は、特に限定されず、適切なトレイとしては、限定されないが、秤量ボート（ｗｅｉｇｈ  ｂｏａｔ）、坩堝、フラスコ、又は本明細書に開示される方法の温度変動に耐えうる他の容器が挙げられる。マスク中の成形された空隙空間の少なくとも一部が、第１のトレイ中のＮａＢｒの少なくとも一部を覆うように、マスクされたＳｉ／ＳｉＯ2基板１１は、第１のトレイのＮａＢｒ上に好適にフェイスダウンで設けられる。
【００１６】
Ｓｉ／ＳｉＯ2基板１１上にＮａＢｒが成膜されるように、すなわちＮａＢｒがＳｉ／ＳｉＯ2基板１１上に熱的に成膜されるように、マスク１２で覆われたＳｉ／ＳｉＯ2基板１１によって覆われた第１のトレイ１３が加熱される。いくつかの態様によると、加熱は、当分野に知られている、例えばオーブン又は他の適切な装置において、第１のトレイ１３の上方及び／又は下方で、１又は複数の加熱ワイヤ１１１等の加熱機構を用いて実施される。いくつかの態様によると、加熱装置は、石英管を備えてもよい。いくつかの態様によると、加熱装置は、例えばアルゴン（Ａｒ）ガス流１１５等の不活性ガス流を備える。
【００１７】
図１に示されるように、マスク１２で覆われたＳｉ／ＳｉＯ2基板１１によって覆われた第１のトレイ１３は、マスク１２中の成形された空隙空間に露出する領域において、Ｓｉ／ＳｉＯ2基板１１上にＮａＢｒが熱的に成膜するために適した第１の期間にわたって、第１の温度に加熱され、それによりＳｉ／ＳｉＯ2基板１１上にＮａＢｒ塩の事前成膜したパターンが形成される。
【００１８】
いくつかの態様によると、第１の温度は、約６００〜９００°Ｃ、任意で約６５０〜８５０°Ｃ、任意で約７００〜８００°Ｃ、任意で約７４０〜８００°Ｃ、任意で約７７０°Ｃ、又は任意で約７５０°Ｃであってよい。いくつかの態様によると、第１の温度は、温度を上昇させることにより実現されてもよく、例えば温度を室温から第１の温度に上昇させることにより実現されてもよい。例えばいくつかの態様によると、第１の温度は、温度を室温から第１の温度まで、約１０〜７０°Ｃ／分の速度で上昇させることにより、任意で約４０°Ｃ／分の速度で上昇させることにより実現されてもよい。本明細書において使用される場合、「室温」という用語は、約１５〜２５°Ｃの温度を指す。いくつかの態様によると、第１の期間は、約１分〜１時間、任意で約１〜３０分、任意で約１〜１５分、及び任意で約３〜１５分であってよい。
【００１９】
図２において、本開示の態様に係る、基板上に塩を成膜する他の例を示す。図２に示されるように、当該方法は、パターン化形状を有するマスク１２を備えた冷たい基板１８（例えば、Ｓｉ／ＳｉＯ2基板）を用意する工程を含む。本明細書において使用される場合、「冷たい」という用語は、約１００°Ｃ以下の温度、任意で約５０°Ｃ以下の温度、任意で約２５°Ｃ以下の温度を指す。いくつかの態様によると、パターン化形状は、例えば図１に関連して本明細書に記載されるように、マスク中の単一の成形された空隙空間１９、又は成形された空隙空間１９のアレイにより規定される。
【００２０】
いくつかの態様によると、マスク１２に覆われたＳｉ／ＳｉＯ2基板１８は、第１のトレイ１３の上方に設けられる。第１のトレイ１３は、図１に関連して本明細書に記載されるように任意の形状及びサイズのものであってよい。マスクされたＳｉ／ＳｉＯ2基板１８は、マスク１２に覆われた基板１８の面が、第１のトレイ１３の反対側となるように（或いは本明細書において「フェイスアップ（ｆａｃｅ  ｕｐ）」配置として記載される）適切に設けられる。
【００２１】
図２に示される例と同様に、マスク１２に覆われたＳｉ／ＳｉＯ2基板１８は、当分野に知られている、例えばオーブン又は他の適切な装置等の１又は複数の加熱ワイヤ１１１を有する加熱装置１１０に設けられる。しかし、図１に示される例とは異なり、基板１８が冷たい温度を維持し得るように、マスク１２に覆われたＳｉ／ＳｉＯ2基板１８を有する第１のトレイ１３は、１又は複数の加熱ワイヤ１１１から離れて加熱装置１１０内に設けられる。
【００２２】
図２に示されるように、当該方法は、加熱装置１１０の領域中に本明細書に記載されるような塩１４を有する塩トレイ１１２を設ける工程を含む。当該加熱装置１１０は、塩トレイ１１２を、１００〜１１００°Ｃ、任意で約２００〜１０００°Ｃ、任意で約３００〜９００°Ｃ、任意で約４００〜８００°Ｃ、任意で約５００〜７００°Ｃ、及び任意で約６００°Ｃの成膜温度に加熱することができる。例えば当該方法は、１又は複数の加熱ワイヤ１１１の近くの加熱範囲内である、加熱装置１１０の領域中に塩トレイ１１２を設ける工程を含む。塩トレイ１１２は、いくつかの態様において、本明細書に記載されるような第１のトレイに類似してもよい。当該方法は、例えば機械式ポンプ１１４等の手段を用いて、シール１１３で密閉された加熱装置１１０の空気を抜いて減圧させる工程を含む。減圧は、約２００ｍＴｏｒｒ以下、任意で約１００ｍＴｏｒｒ以下、任意で約５０ｍＴｏｒｒ以下、任意で約１０ｍＴｏｒｒ以下、及び任意で約１ｍＴｏｒｒ以下であってよい。当該方法はさらに、塩１４を有する塩トレイ１１２を、基板１８上の、マスク１２中の成形された空隙空間に露出される領域に塩１４が成膜されるのに適した期間にわたって、減圧下で成膜温度に加熱して、本明細書に記載されるように、基板１８上に塩１４の事前成膜によるパターンを形成する工程を含む。
【００２３】
図３に示されるように、次いで、例えば図１又は図２に示されるように作製された事前成膜されたパターン化ＮａＢｒ塩３４を備えたＳｉ／ＳｉＯ2基板１１を、例えばＭｏＯ2粉末のような遷移金属酸化物粉末を有する遷移金属酸化物トレイ３１の上方に、事前成膜されたパターン化ＮａＢｒ塩３４を担持する面を下に向けて、すなわちＭｏＯ2粉末と接触するように、設ける。Ｓｉ／ＳｉＯ2基板１１上の事前成膜されたパターン化ＮａＢｒ塩３４で覆われた遷移金属酸化物トレイ３１を、不活性ガス流下、加熱機構３３により遷移金属酸化物温度まで加熱する。例えば図３に示されるようにＳｉ／ＳｉＯ2基板１１上の事前成膜されたパターン化ＮａＢｒ塩３４で覆われた遷移金属酸化物トレイ３１は、石英管のような加熱装置における加熱ワイヤ３３の間に設けられる。遷移金属酸化物トレイは、第１のトレイに関する一部又は全てにおいて同様であってもよい。
【００２４】
いくつかの態様によると、遷移金属酸化物温度は、約６００〜９００°Ｃ、任意で約６５０〜８５０°Ｃ、任意で約７００〜８００°Ｃ、任意で約７４０〜８００°Ｃ、任意で約７７０°Ｃ、又は任意で約７５０°Ｃである。
【００２５】
いくつかの態様によると、第１のトレイ及び／又は遷移金属酸化物トレイの一部又は全てにおいて同様であるカルコゲントレイ３２が設けられる。カルコゲントレイ３２は、例えばＳ粉末等のカルコゲン粉末を有してもよい。いくつかの態様によると、カルコゲントレイ３２は、加熱装置中において、不活性ガス流１１５に対し、遷移金属酸化物トレイ３１の上流に設けられる。カルコゲントレイ３２は、遷移金属酸化物トレイ３１を加熱するために使用される加熱機構３３と同じ又は異なる加熱機構３４により、カルコゲン温度まで加熱される。例えば、加熱ベルト及び／又は加熱ワイヤ４３の間にカルコゲントレイを設けることにより、カルコゲントレイは、カルコゲン温度まで加熱される。
【００２６】
カルコゲン温度は、第１の温度及び／又は遷移金属酸化物温度と同じであっても、異なっていてもよい。例えばいくつかの態様によると、カルコゲン温度は、約５０〜３５０°Ｃ、任意で約１００〜３００°Ｃ、任意で約１５０〜２５０°Ｃ、又は任意で約２００°Ｃであってもよい。或いは、いくつかの態様によると、カルコゲン温度は、約２５０〜６５０°Ｃ、任意で約３００〜６００°Ｃ、任意で約３５０〜５５０°Ｃ、又は任意で約４５０°Ｃであってもよい。
【００２７】
いくつかの態様によると、ＭｏＯ2及びＳが、Ｓｉ／ＳｉＯ2基板１１の事前成膜されたパターン化ＮａＢｒ塩３４の上に共成膜されて、Ｓｉ／ＳｉＯ2基板１１の事前成膜されたパターン化ＮａＢｒ塩３４の上にパターン化ＭｏＳ2単層が形成されるように、遷移金属酸化物温度及びカルコゲン温度は選択される。
【００２８】
いくつかの態様によると、加熱装置は、石英管を備えてもよい。いくつかの態様によると、加熱装置は、例えばアルゴン（Ａｒ）ガス流等の不活性ガス流を備えてもよい。
【００２９】
本明細書に記載の単層のＭｏＳ2結晶は、予備成膜されたパターン化ＮａＢｒ塩の形状及びサイズに依存して、様々な形状及びサイズに成長し得ることを理解されたい。いくつかの態様によると、得られるＭｏＳ2結晶のサイズ及び／又は形状は、以下のうちの１つ又は複数にも依存し得る。基板上に成膜されたＮａＢｒの濃度、開始材料の重量比（例えば（ＭｏＯ2＋ＮａＢｒ）：Ｓ、ＭｏＯ2：ＮａＢｒ、及び／又はＭｏＯ2：Ｓの重量比）、不活性ガスの流量、及び／又は処理時間。
【００３０】
本開示は、例えばＭｏＳ2、ＷＳ2、ＭｏＳｅ2、又はそれらの組み合わせを含む単層等の、本明細書に記載の方法に従い作製された単層にも関している。
【００３１】
本明細書は実施例を使用して本発明を開示するものであり、好ましい実施形態を含み、また当業者が本発明を実施することができ、任意のデバイス又はシステムの作製方法及び使用方法、並びに任意の組み込まれた方法の実施を含む。本発明の特許性のある範囲は、請求項により規定され、当業者に想定される他の例も含み得る。そのような他の例は、請求項の文言と異なっていない構成要素を有する場合、又は請求項の文言と実質的な差異が無い均等な構成要素を含む場合に、請求項の範囲内にあることが意図される。記載される様々な実施形態の態様、並びにそのような態様のそれぞれに対する他の公知の均等を、当分野の当業者により組み合わせ、及び合致させて、本出願の主旨に従う追加的な実施形態及び技術を構築させることができる。
【００３２】
本明細書に記載される態様は、上述の例示的態様と関連づけて記載されているが、公知であるか、又は現在のところ予期されない、若しくは予期され得ないかに関わらず、様々な代替、改変、バリエーション、改善、及び／又は実質的な均等が、当分野の少なくとも通常の技能を有する者には明白となり得る。従って、上述の例示的態様は、解説を意図されており、限定ではない。様々な変更を、本開示の主旨及び範囲から逸脱することなく行うことが可能である。ゆえに、本開示は、全ての公知の、また後に開発される代替、改変、バリエーション、改善、及び／又は実質的な均等を包含することが意図される。
【００３３】
単数形での要素への言及は、具体的にそのような言及がない限り、「唯一」を意味することは意図されず、むしろ「１又は複数」である。当分野の当業者に対し公知である、又は後に公知となる、本開示全体を通して記載される様々な態様の要素に対する全ての構造的及び機能的な均等が、参照により本明細書に明白に組み込まれる。さらに本明細書に開示されるものは全て、公有となることを意図されていない。
【００３４】
さらに「実施例」という文言は、本明細書において、「例示、実例、又は解説として提供する」ことを意味するために使用される。「実施例」として本明細書に記載される全ての態様が、他の態様よりも好ましい、又は有益であると解釈される必要はない。具体的に別段の記載がない限り、「いくつかの」という用語は、１又は複数を指す。例えば「Ａ、Ｂ又はＣの内の少なくとも１個」、「Ａ、Ｂ及びＣの内の少なくとも１個」、及び「Ａ、Ｂ、Ｃ又はそれらの任意の組み合わせ」等の組み合わせは、Ａ、Ｂ及び／又はＣの任意の組み合わせを含み、複数のＡ、複数のＢ、又は複数のＣを含み得る。具体的には、例えば「Ａ、Ｂ又はＣの内の少なくとも１個」、「Ａ、Ｂ及びＣの内の少なくとも１個」、及び「Ａ、Ｂ、Ｃ又はそれらの任意の組み合わせ」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、Ａ及びＢ、Ａ及びＣ、Ｂ及びＣ、又はＡ及びＢ及びＣであってもよく、全てのそのような組み合わせが、Ａ、Ｂ又はＣのうちの１又は複数の要素を有し得る。
【００３５】
さらに、本明細書全体を通じての参照文献、例えば、特許証の発行された、若しくは特許付与された特許又はその均等を含む特許書面、特許出願公開、及び非特許文献、又は他の原資料等は、参照により個別に組み込まれたものと同じように、その全体で本明細書に参照により組み込まれる。
【００３６】
＜実施例＞
実施例Ｉ：原子薄層ＴＭＤのパターン化成長
【００３７】
２Ｄ  ＴＭＤは、１インチ石英管を備えた管状炉システム中で合成された。最初に、成長基板（２８５ｎｍのＳｉＯ2を備えたＳｉ（ＳｉＯ2／Ｓｉ）プレート）を、アセトン及びイソプロパノール（ＩＰＡ）により洗浄し、様々な形状のパターン化された空隙空間を備えたマスクで覆った。次いで、マスクで覆われた基板上にＮａＢｒを成膜し、（マスクのパターン化された空隙空間に対応する）パターン化ＮａＢｒ粒子を備えた基板を作製した。次いでこの基版を、１〜３ｍｇのＭｏＯ2粉末を有するアルミナ坩堝の上にフェイスダウンの状態で配置し、石英管の中心に挿入した。管を略５ｘ１０-3Ｔｏｒｒまで真空引きした後、反応チャンバーの圧力を、５００ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分）のアルゴンガス流を通して大気圧まで上昇させた。約５０ｍｇのＳ粉末を有する他の坩堝を、管の（アルゴンガス流に対して）上流側に置き、ここに加熱ベルトを巻き付けた。次いで３〜１５分間の処理時間、６０〜１２０ｓｃｃｍのアルゴンガス流を用いて７７０°Ｃ（４０°Ｃ／分の上昇速度）で反応させて、ＭｏＳ2  ＴＭＤを得た。成長後、加熱ベルトを直ちに取り外し、炉を開けて、ファンを用いて急速に室温まで冷却させた。次いでこのプロセスを様々なＮａＢｒ濃度、開始材料比、不活性ガス流、及び処理時間を使用して繰り返した。さらに様々な材料を使用してこのプロセスを繰り返して、ＭｏＳｅ2及びＷＳ2  ＴＭＤを得た。
【００３８】
実施例ＩＩ（ａ）：走査型電子顕微鏡による原子薄層ＴＭＤの特徴解析
【００３９】
２Ｄ  ＴＭＤを本明細書に記載されるように合成し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して特徴解析した。図４（ａ）は、６ｘ６のホールアレイを備えたシャドーマスクを通してＳｉＯ2／Ｓｉ基板上に成膜したＮａＢｒ層のＳＥＭ画像を示す。各ホールの直径は略３００μｍである。図４（ａ）に示されるように、ＮａＢｒの円形ディスクのパターン化６ｘ６アレイが見える。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示された１つのＮａＢｒディスクの拡大ＳＥＭ画像を示す。図４（ｃ）は、テンプレートとして図４（ａ）のＮａＢｒ層を使用して成長したパターン化単層ＭｏＳ2のＳＥＭ画像を示す。単層ＭｏＳ2ディスクの６ｘ６アレイが見える。図４（ｄ）は、図４（ｃ）に示される１つの単層ＭｏＳ2ディスクの拡大ＳＥＭ画像を示す。
【００４０】
実施例ＩＩ（ｂ）：原子薄層ＴＭＤのラマンスペクトル及びフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトル並びにマッピング
【００４１】
２Ｄ  ＴＭＤを本明細書に記載されるように合成し、ラマンスペクトル及びＰＬスペクトル並びにマッピングにより特徴解析した。図５（ａ）は、ＭｏＳ2単層の３個のディスクの光学画像を示す。図５（ｂ）は、ＭｏＳ2単層ディスクから取得されたラマンスペクトル及びＰＬスペクトルを示す。ラマンスペクトルは、ＭｏＳ2の典型的なＥ１２ｇ及びＡ１ｇモードを示し、それらの間のエネルギー差は約１９ｃｍ-1である。ＰＬスペクトルは、Ａ励起子の直接結合に起因した単一のＸ０バンドを示す。両方から、ＭｏＳ2の単層の性質が確認される。図５（ｃ）及び５（ｄ）はそれぞれ、図５（ａ）に示される対応する３個のディスクのＰＬ及びラマンの強度マッピングを示しており、各単層ディスクの連続性と均質性を示している。
【００４２】
実施例ＩＩＩ：連続的な原子薄層ＴＭＤの成長
【００４３】
２Ｄ  ＴＭＤを、１インチ石英管を備えた管状炉システム中で合成した。最初に成長基板（１ｘ１ｃｍのＳｉＯ2基板）をアセトン及びイソプロパノール（ＩＰＡ）により洗浄した。次いでＮａＢｒを基板上に成膜し、その表面全体にＮａＢｒ粒子を備えた基板を作製した。次いでこの基板を、約１〜３ｍｇのＭｏＯ2粉末を有するアルミナ坩堝の上にフェイスダウンの状態で配置し、石英管の中心に挿入した。管を約５ｘ１０-3Ｔｏｒｒまで真空引きした後、反応チャンバーの圧力を、５００ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分）のアルゴンガス流を通して大気圧まで上昇させた。約５０ｍｇのＳ粉末を有する他の坩堝を、管の（アルゴンガス流に対して）上流側に置き、ここに加熱ベルトを巻き付けた。次いで３〜１５分間の処理時間、６０〜１２０ｓｃｃｍのアルゴンガス流を用いて７７０°Ｃ（４０°Ｃ／分の上昇速度）で反応させて、ＭｏＳ2  ＴＭＤを得た。成長後、加熱ベルトを直ちに取り外し、炉を開けて、ファンを用いて急速に室温まで冷却させた。
【００４４】
実施例ＩＶ（ａ）：連続的な原子薄層ＴＭＤの特徴解析
【００４５】
実施例ＩＩＩに従い作製された２Ｄ  ＴＭＤを、光学的に、及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して特徴解析した。図６（ａ）は、ＭｏＳ2単層の光学画像を示す。破線の長方形は、連続するＭｏＳ2単層を有する領域を示す。図６（ｂ）は、連続するＭｏＳ2単層のＳＥＭ画像を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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