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.

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
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.