基于等离子体的二维材料的改性及其应用

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-04-14

二维材料是指自由电子仅可在两个维度的平面上自由运动的材料。这些材料的共同特征是其块状三维晶体是由一层层二维材料堆叠起来的。层与层之间由较弱的范德华力（vander Waals）作用，层内原子间以强共价键结。下图1.1所示为反复通过机械剥离法制备出的较薄石墨烯层的扫描隧道显微镜（SEM）的图片（左）以及单原子层厚的石墨烯的扫描隧道显微镜（SEM）图片（右）。

图 1.1 石墨烯层的扫描电子显微镜图-NAENPLASMA

二维材料因其载流子的迁移和热扩散都局限在两个维度的平面内，不能在层与层之间运动，从而展现出许多奇特的性质。二维材料的每层彼此通过分子间作用力接触形成界面。这种层间相互作用的缺失对于研究它们的能带结构非常重要。二维材料由于其量子效应和高表面积与体积比，使用化学和机械手段在改变其性质方面也起着重要作用。实际上，二维材料的“全表面”性质提供了通过表面处理（例如通过化学功能化）来定制其性质的可能。基于二维材料各领域迅速发展因其只有一个原子层的厚度。除此之外，二维材料易于加工、可直接操控电荷载流子的移动，电荷载体具有的手性特性，在室温和低温都具有非常高的载流子迁移率，以及高导热性等特性使得二维材料有望成为最适合最终创建新一代电子设备的候选材料。

基于等离子体的二维材料改性工艺

二维材料由于其独特的性质成为近年来科研工作者热衷追逐的对象，更是一跃成为可能替代传统半导体材料的热门候选者。伴随着单层石墨烯的发现与研究，更多种类的二维材料进入人们的视野。但材料的种类终究是有限的，要想实现二维材料的功能化，可控制备与改性是必不可少的。近年来，等离子体处理为二维材料提供了通往新特性、新应用的大门，这远远超出了新型二维材料的生长制备所带来的收益。

目前，利用等离子体改性的TMDs制造出各种性能卓越的电子和光电子器件，包括整流二极管、背栅场效应晶体管、多位存储晶体管、光伏器件和光电二极管，证明了可控等离子体掺杂的好处。研究发现通过温和氧等离子体处理可以实现对单层MoS₂的PL增强。存在于S空位上的O原子诱导了强烈的电荷转移，导致了严重的p掺杂，并将三激子转化为中性激子。位于缺陷位置的激子通常具有更大的结合能，这抑制了热激活的非辐射复合，导致高PL增强。通过仔细控制实验条件，PL增强可以高达100倍。二维材料的电子性质也可以通过等离子体处理来调节，例如降低接触电阻，调整n/p或双极性行为，以及提高载流子迁移率。

研究发现在WSe2中通过H₂/He等离子体引入的Se空位产生了n型掺杂，掺杂浓度的增加会降低肖特基势垒（SB）的宽度。因此，更多的电子可以通过SB隧穿注入WSe2，使得FET的开态电流增大了20倍，接触电阻（Rc）减小了2个数量级，亚阈值摆幅高达66mV/dec。等离子体工艺也被用来提高二维材料的载流子迁移率，研究证明了MoS₂中的S空位可以通过氧等离子体处理修复。如图1-2所示，在等离子体处理后，与S空位相关的激子峰几乎消失，这意味着MoS₂中大部分空位被氧填满，空位散射中心被移除，电子迁移率增加了约48倍。同样，在N₂等离子体处理后，WS₂中的硫空位可以由氮原子填充，这一点也得到了证实，减小了空位的密度，使得迁移率提高到184.2cm²V^-1s^-1。