MoS_2_MoO_2共形...构的制备、表征及其生长机理_李娜.pdf

第6 0卷 第4期微纳电子技术V o l.6 0 N o.42 0 2 3年4月M i c r o n a n o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g yA p r i l 2 0 2 3加工、测量与设备D O I:1 0.1 3 2 5 0/j.c n k i.w n d z.2 0 2 3.0 4.0 1 4收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 4基金项目:国家自然科学基金青年基金(1 2 0 0 2 1 3 3);江苏省科技计划项目基金青年基金(B K 2 0 2 0 0 5 9 0);江南大学基本科研计划青年基金(J U S R P 1 2 1 0 4 0);纳智能材料器件教育部重点实验室开放课题基金N J 2 0 2 2 0 0 2(I NMD-2 0 2 2 M 0 2)通信作者:吴宏荣 M o S2/M o O2共形异质结构的制备、表征及其生长机理李 娜,于培师,吴宏荣(江南大学 机械工程学院,江苏 无锡 2 1 4 1 2 2)摘要:作为典型的二维层状半导体材料,M o S2及其异质结构在后摩尔时代的电子学和光电子学领域具有广阔的应用前景。以M o O3为前驱体,利用化学气相沉积法(C V D)先制备了M o O2纳米片,随后使用硫蒸气对其进行硫化合成了含24层M o S2的M o S2/M o O2的共形异质结构。通过X射线光电子能谱(X P S)和R a m a n光谱对M o S2/M o O2共形异质结构进行表征,确定了M o S2的层数随硫化时间的变化关系,即随着硫化时间的延长,M o S2层数逐渐增加。利用原子力显微镜(A FM)对异质结构的厚度表征结果发现,硫化后纳米片厚度有所减薄,并且随着硫化时间的增加,M o O2纳米片硫化前后的厚度差呈现出反常的先下降后上升的趋势。最后通过高分辨环形暗场扫描透射电子显微镜(A D F-S T EM)对M o S2/M o O2共形异质结构截面进行表征,并揭示了硫化机理。关键词:M o O2纳米片;M o S2/M o O2共形异质结构;化学气相沉积法(C V D);硫化机理;硫化中图分类号:T B 3 8 3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 1-4 7 7 6(2 0 2 3)0 4-0 5 9 5-0 7F a b r i c a t i o n,C h a r a c t e r i z a t i o n a n d G r o w t h M e c h a n i s m o f M o S2/M o O2 C o n f o r m a l H e t e r o s t r u c t u r e sL i N a,Y u P e i s h i,Wu H o n g r o n g(S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,J i a n g n a n U n i v e r s i t y,W u x i 2 1 4 1 2 2,C h i n a)A b s t r a c t:A s a t y p i c a l t w o-d i m e n s i o n a l l a y e r e d s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l,M o S2 a n d i t s h e t e r o s t r u c t u r e s h a v e a w i d e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t i n t h e f i e l d o f e l e c t r o n i c s a n d o p t o e l e c t r o n i c s i n t h e p o s t-M o o r e e r a.M o O2 n a n o s h e e t s w e r e p r e p a r e d b y c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n(C V D)w i t h M o O3 a s t h e p r e c u r s o r,a n d t h e n w e r e s u l f u r i z e d w i t h s u l f u r s t e a m t o s y n t h e s i z e M o S2/M o O2 c o n f o r m a l h e t e r o s t r u c t u r e s w i t h 2-4 l a y e r s M o S2.M o S2/M o O2 c o n f o r m a l h e t e r o s t r u c t u r e s w e r e c h a r a c t e r i z e d b y X-r a y p h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y(X P S)a n d R a m a n s p e c t r o s c o p y,a n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e l a y e r n u m b e r o f M o S2 a n d t h e s u l f u r i z a t i o n t i m e w a s d e t e r m i n e d.T h e l a y e r n u m b e r o f M o S2 g r a d u a l l y i n c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f s u l f u r i z a t i o n t i m e.A t o m i c f o r c e m i c r o s c o p y(A FM)c h a r a c t e r i z a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e t h i c k n e s s o f t h e n a n o s h e e t s d e c r e a s e s 595微 纳 电 子 技 术a f t e r s u l f u r i z a t i o n,a n d w i t h t h e i n c r e a s e o f s u l f u r i z a t i o n t i m e,t h e t h i c k n e s s d i f f e r e n c e o f M o O2 n a n o s h e e t s b e f o r e a n d a f t e r s u l f u r i z a t i o n d e m o n s t r a t e s a n a b n o r m a l t r e n d o f f i r s t d e c r e a s i n g a n d t h e n i n c r e a s i n g.F i n a l l y,t h e c r o s s s e c t i o n o f M o S2/M o O2 c o n f o r m a l h e t e r o s t r u c t u r e w a s c h a r a c t e r i z e d b y h i g h r e s o l u t i o n a n n u l a r d a r k-f i e l d s c a n n i n g t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p e(A D F-S T EM)t o r e v e a l t h e s u l f u r i z a t i o n m e c h a n i s m.K e y w o r d s:M o O2 n a n o s h e e t;M o S2/M o O2 c o n f o r m a l h e t e r o s t r u c t u r e;c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n(C V D);s u l f u r i z a t i o n m e c h a n i s m;s u l f u r i z a t i o n P A C C:6 1 4 60 引 言自从石墨烯被首次剥离以来,二维材料因其优异的性能引起人们的广泛关注1-3。M o S2作为过渡金属二卤化物家族中被研究最广泛的二维材料之一,其能带结构演变依赖于层数4-5,随着层数的增加,M o S2由直接带隙半导体转变为更小带隙的间接带隙半导体,使其在宽光谱响应的光电晶体管和高开/关比的低功耗场效应晶体管中具有广阔的应用前景6。M o S2与其他材料组成的异质结构由于界面处的多物理场耦合作用,可以出现更多新奇的物理现象,从而拓展了M o S2的应用场景7-8。比如,G.Z h o u等 人9采 用 两 步 化 学 气 相 沉 积(C V D)法成功合成了垂直排列的M o S2/M o Ox纳米片异质结构,增强了可见光的吸收,同时又形成了与电荷分离相匹配的能带,使得M o S2/M o Ox异质结构的光催化性能显著增强,在污染物光降解和 光 催 化 能 量 转 换 领 域 具 有 应 用 前 景。R.D.N i k a m等 人1 0通 过 两 步C V D法 在 三 维M o O2上制备了扭曲的M o S2纳米片,这种新型杂化结构在析氢反应(HE R)中可以有效地作为活性催化剂,并且具有良好的稳定性。D.W.L i等人1 1通过单步、蒸气传输辅助的快速热处理方法可控合成了M o S2/M o O2异质结构,该异质结构由于中性激子和带电激子的同时存在,使得其中载流子之间存在很强的库仑相互作用力,为设计在纳米电子学和光子学中有潜在应用的更复杂器件提供了可能。虽然前人已经对M o S2/M o O2异质结构的性能进行了大量的研究,但M o S2/M o O2异质结构生长时的硫化过程并没有得到深入研究,还有待进一步探究其硫化机制1 2。本文采用两步C V D法合成M o S2/M o O2共形异质结构,并通过X射线光电子能谱仪(X P S)、R a m a n光谱议、原子力显微镜(A FM)、环形暗场扫描透射电子显微镜(A D F-S T EM)对其进行表征,研究发现通过控制硫化时长可调控M o S2/M o O2共形异质结构中M o S2的层数。结合A FM表征的厚度和A D F-S T EM的截面表征结果,揭示了制备M o S2/M o O2共形异质结构时的硫化机制。1 实 验采用 两 步C V D法 在S i O2/S i基 底 上 合 成M o S2/M o O2共形异质结构。如图1(a)所示,首先称量2 0 m g的M o O3作为前驱体,且以N2作为82562542522525Temperature/0306090120Time/min77552527525t1t2t3t4Time/minMoO2硫化高温区低温区N2S粉末低温区MoO2/SiO2/Si高温区N2MoO3粉末SiO2/Si高温区（c）MoO2生长温度曲线（a）MoO2生长示意图（b）MoS2/MoO2共形异质结构生长示意图（d）MoS2/MoO2共形异质结构生长温度曲线Temperature/图1 M o O2纳米片和M o S2/M o O2共形异质结构的制备F i g.1 F a b r i c a t i o n o f M o O2 n a n o s h