We present an ultra-high vacuum scanning tunneling microscopy study of structural defects in molybdenum disulfide thin films grown on silicon substrates by chemical vapor deposition. A distinctive type of grain boundary periodically arranged inside an isolated triangular domain, along with other inter-domain grain boundaries of various types, is observed. These periodic defects, about 50 nm apart and a few nanometers in width, remain hidden in optical or low-resolution microscopy studies. We report a complex growth mechanism that produces 2D nucleation and spiral growth features that can explain the topography in our films.
References
1.
K.
Bolotin
, K.
Sikes
, Z.
Jiang
, M.
Klima
, G.
Fudenberg
, J.
Hone
, P.
Kim
, and H.
Stormer
, Solid State Commun.
146
, 351
–355
(2008
).2.
M.
Chhowalla
, H. S.
Shin
, G.
Eda
, L.-J.
Li
, K. P.
Loh
, and H.
Zhang
, Nat. Chem.
5
, 263
–275
(2013
).3.
B.
Radisavljevic
, A.
Radenovic
, J.
Brivio
, V.
Giacometti
, and A.
Kis
, Nat. Nanotechnol.
6
, 147
–150
(2011
).4.
B.
Radisavljevic
, M. B.
Whitwick
, and A.
Kis
, ACS Nano
5
, 9934
–9938
(2011
).5.
A.
Sanne
, R.
Ghosh
, A.
Rai
, M. N.
Yogeesh
, S. H.
Shin
, A.
Sharma
, K.
Jarvis
, L.
Mathew
, R.
Rao
, D.
Akinwande
, and S.
Banerjee
, Nano Lett.
15
, 5039
–5045
(2015
).6.
H.-Y.
Chang
, M. N.
Yogeesh
, R.
Ghosh
, A.
Rai
, A.
Sanne
, S.
Yang
, N.
Lu
, S. K.
Banerjee
, and D.
Akinwande
, Adv. Mater.
28
, 1818
–1823
(2015
).7.
H. S.
Lee
, S.-W.
Min
, Y.-G.
Chang
, M. K.
Park
, T.
Nam
, H.
Kim
, J. H.
Kim
, S.
Ryu
, and S.
Im
, Nano Lett.
12
, 3695
–3700
(2012
).8.
R. S.
Sundaram
, M.
Engel
, A.
Lombardo
, R.
Krupke
, A. C.
Ferrari
, P.
Avouris
, and M.
Steiner
, Nano Lett.
13
, 1416
–1421
(2013
).9.
S.
Luo
, X.
Qi
, L.
Ren
, G.
Hao
, Y.
Fan
, Y.
Liu
, W.
Han
, C.
Zang
, J.
Li
, and J.
Zhong
, J. Appl. Phys.
116
, 164304
(2014
).10.
H.
Zeng
, J.
Dai
, W.
Yao
, D.
Xiao
, and X.
Cui
, Nat. Nanotechnol.
7
, 490
–493
(2012
).11.
H.
Schmidt
, I.
Yudhistira
, L.
Chu
, A. H. C.
Neto
, B.
Özyilmaz
, S.
Adam
, and G.
Eda
, Phys. Rev. Lett.
116
, 046803
(2016
).12.
M.
Ghorbani-Asl
, N.
Zibouche
, M.
Wahiduzzaman
, A. F.
Oliveira
, A.
Kuc
, and T.
Heine
, Sci. Rep.
3
, 2961
(2013
).13.
J. N.
Coleman
, M.
Lotya
, A.
O'Neill
, S. D.
Bergin
, P. J.
King
, U.
Khan
, K.
Young
, A.
Gaucher
, S.
De
, R. J.
Smith
, I. V.
Shvets
, S. K.
Arora
, G.
Stanton
, H.-Y.
Kim
, K.
Lee
, G. T.
Kim
, G. S.
Duesberg
, T.
Hallam
, J. J.
Boland
, J. J.
Wang
, J. F.
Donegan
, J. C.
Grunlan
, G.
Moriarty
, A.
Shmeliov
, R. J.
Nicholls
, J. M.
Perkins
, E. M.
Grieveson
, K.
Theuwissen
, D. W.
McComb
, P. D.
Nellist
, and V.
Nicolosi
, Science
331
, 568
–571
(2011
).14.
Y.
Zhan
, Z.
Liu
, S.
Najmaei
, P. M.
Ajayan
, and J.
Lou
, Small
8
, 966
–971
(2012
).15.
Y.-H.
Lee
, X.-Q.
Zhang
, W.
Zhang
, M.-T.
Chang
, C.-T.
Lin
, K.-D.
Chang
, Y.-C.
Yu
, J. T.-W.
Wang
, C.-S.
Chang
, L.-J.
Li
, and T.-W.
Lin
, Adv. Mater.
24
, 2320
–2325
(2012
).16.
A. M.
van der Zande
, P. Y.
Huang
, D. A.
Chenet
, T. C.
Berkelbach
, Y.
You
, G.-H.
Lee
, T. F.
Heinz
, D. R.
Reichman
, D. A.
Muller
, and J. C.
Hone
, Nat. Mater.
12
, 554
–561
(2013
).17.
S.
Najmaei
, Z.
Liu
, W.
Zhou
, X.
Zou
, G.
Shi
, S.
Lei
, B. I.
Yakobson
, J.-C.
Idrobo
, P. M.
Ajayan
, and J.
Lou
, Nat. Mater.
12
, 754
–759
(2013
).18.
Y.
Liu
, R.
Ghosh
, D.
Wu
, A.
Ismach
, R.
Ruoff
, and K.
Lai
, Nano Lett.
14
, 4682
–4686
(2014
).19.
W.
Zhou
, X.
Zou
, S.
Najmaei
, Z.
Liu
, Y.
Shi
, J.
Kong
, J.
Lou
, P. M.
Ajayan
, B. I.
Yakobson
, and J.-C.
Idrobo
, Nano Lett.
13
, 2615
–2622
(2013
).20.
J.
Lin
, S. T.
Pantelides
, and W.
Zhou
, ACS Nano
9
, 5189
–5197
(2015
).21.
Z.
Liu
, M.
Amani
, S.
Najmaei
, Q.
Xu
, X.
Zou
, W.
Zhou
, T.
Yu
, C.
Qiu
, A. G.
Birdwell
, F. J.
Crowne
, R.
Vajtai
, B. I.
Yakobson
, Z.
Xia
, M.
Dubey
, P. M.
Ajayan
, and J.
Lou
, Nat. Commun.
5
, 5246
(2014
).22.
J.
Hong
, Z.
Hu
, M.
Probert
, K.
Li
, D.
Lv
, X.
Yang
, L.
Gu
, N.
Mao
, Q.
Feng
, and L.
Xie
, Nat. Commun.
6
, 6293
(2015
).23.
S.
Wang
, G.-D.
Lee
, S.
Lee
, E.
Yoon
, and J. H.
Warner
, ACS Nano
10
, 5419
–5430
(2016
).24.
M.
Yankowitz
, S.
Larentis
, K.
Kim
, J.
Xue
, D.
McKenzie
, S.
Huang
, M.
Paggen
, M. N.
Ali
, R. J.
Cava
, E.
Tutuc
, and B. J.
LeRoy
, Nano Lett.
15
, 1925
–1929
(2015
).25.
M.
Yankowitz
, D.
McKenzie
, and B. J.
LeRoy
, Phys. Rev. Lett.
115
, 136803
(2015
).26.
S.
Mcdonnell
, R.
Addou
, C.
Buie
, R. M.
Wallace
, and C. L.
Hinkle
, ACS Nano
8
, 2880
–2888
(2014
).27.
R.
Addou
, L.
Colombo
, and R. M.
Wallace
, ACS Appl. Mater. Interfaces
7
, 11921
–11929
(2015
).28.
Y. L.
Huang
, Y.
Chen
, W.
Zhang
, S. Y.
Quek
, C.-H.
Chen
, L.-L.
Li
, W.-H.
Chang
, Y. J.
Zheng
, W.
Chen
, and A. T. S.
Wee
, Nat. Commun.
6
, 6298
(2015
).29.
X.
Liu
, I.
Balla
, H.
Bergeron
, and M. C.
Hersam
, J. Phys. Chem. C
120
, 20798
–20805
(2016
).30.
X.
Dong
, C.
Yan
, D.
Tomer
, C. H.
Li
, and L.
Li
, Appl. Phys. Lett.
109
, 051604
(2016
).31.
A.
Roy
, S.
Guchhait
, S.
Sonde
, R.
Dey
, T.
Pramanik
, A.
Rai
, H. C. P.
Movva
, L.
Colombo
, and S. K.
Banerjee
, Appl. Phys. Lett.
102
, 163118
(2013
).32.
C.
Rice
, R. J.
Young
, R.
Zan
, U.
Bangert
, D.
Wolverson
, T.
Georgiou
, R.
Jalil
, and K. S.
Novoselov
, Phys. Rev. B
87
, 081307(R)
(2013
).33.
A.
McCreary
, R.
Ghosh
, M.
Amani
, J.
Wang
, K.-A. N.
Duerloo
, A.
Sharma
, K.
Jarvis
, E. J.
Reed
, A. M.
Dongare
, S. K.
Banerjee
, M.
Terrones
, R. R.
Namburu
, and M.
Dube
, ACS Nano
10
, 3186
–3197
(2016
).34.
S.
Wang
, X.
Wang
, and J. H.
Warner
, ACS Nano
9
, 5246
–5254
(2015
).35.
J.
Shi
, Y.
Yang
, Y.
Zhang
, D.
Ma
, W.
Wei
, Q.
Ji
, Y.
Zhang
, X.
Song
, T.
Gao
, C.
Li
, X.
Bao
, Z.
Liu
, Q.
Fu
, and Y.
Zhang
, Adv. Funct. Mater.
25
, 842
–849
(2015
).36.
I. V.
Markov
, Crystal Growth for Beginners: Fundamentals of Nucleation, Crystal Growth, and Epitaxy
, 1st ed. (World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd
., Singapore
, 1995
).37.
S. A.
Morin
, A.
Forticaux
, M. J.
Bierman
, and S.
Jin
, Nano Lett.
11
, 4449
–4455
(2011
).38.
W. K.
Burton
, N.
Cabrera
, and C.
Frank
, Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A
243
, 299
–358
(1951
).39.
F.
Meng
, S. A.
Morin
, A.
Fortivaux
, and S.
Jin
, Acc. Chem. Res.
46
, 1616
–1626
(2013
).40.
A.
Roy
, S.
Guchhait
, R.
Dey
, T.
Pramanik
, C.-C.
Hsieh
, A.
Rai
, and S. K.
Banerjee
, ACS Nano
9
, 3772
–3779
(2015
).41.
P. V.
Sarma
, P. D.
Patil
, P. K.
Barman
, R. N.
Kini
, and M. M.
Shaijumon
, RSC Adv.
6
, 376
–382
(2016
).42.
L.
Chen
, B.
Liu
, A. N.
Abbas
, Y.
Ma
, X.
Fang
, Y.
Liu
, and C.
Zhou
, ACS Nano
8
, 11543
–11551
(2014
).43.
H. F.
Liu
, S. L.
Wong
, and D. Z.
Chi
, Chem. Vap. Deposition
21
, 241
–259
(2015
).44.
V. K.
Kumar
, S.
Dhar
, T. H.
Choudhury
, S. A.
Shivashankar
, and S.
Raghavan
, Nanoscale
7
, 7802
–7810
(2015
).45.
A.
Michail
, N.
Delikoukos
, J.
Parthenios
, C.
Galiotis
, and K.
Papagelis
, Appl. Phys. Lett.
108
, 173102
(2016
).46.
A.
Castellanos-Gomez
, R.
Roldan
, E.
Cappelluti
, M.
Buscema
, F.
Guinea
, H. S. J.
van der Zan
, and G. A.
Steele
, Nano Lett.
13
, 5361
–5366
(2013
).47.
L.
Zhang
, K.
Liu
, A. B.
Wong
, J.
Kim
, X.
Hong
, C.
Liu
, T.
Cao
, S. G.
Louie
, F.
Wang
, and P.
Yang
, Nano Lett.
14
, 6418
–6423
(2014
).48.
S. M.
Prokes
and S.
Arnold
, Appl. Phys. Lett.
86
, 193105
(2005
).49.
S. H.
El-Mahalawy
and B. L.
Evans
, J. Appl. Crystallogr.
9
, 403
–406
(1976
).50.
T. H.
Ly
, D. J.
Perello
, J.
Zhao
, Q.
Deng
, H.
Kim
, G. H.
Han
, S. H.
Chae
, H. Y.
Jeong
, and Y. H.
Lee
, Nat. Commun.
7
, 10426
(2016
).51.
A.
Roy
, T.
Bagarti
, K.
Bhattacharjee
, K.
Kundu
, and B. N.
Dev
, Surf. Sci.
606
, 777
–783
(2012
).© 2017 Author(s).
2017
Author(s)
You do not currently have access to this content.
