MoS2二硫化钼薄膜低温氧等离子体处理对其性能的影响

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：2023-03-31

TMDCs组成的化合物具有三种性质：金属性、半金属性和半导体性，如图1.1所示。MoS2薄膜是TMDCs的一种材料，它具有优异的半导体性可以应用于逻辑电路的制造。

图 1.1 44 种形成单层 H 型或T 型 MX2 结构的化学式

等离子体是气体被施加高压，同时激发出足够的能量，离化成等离子状态。这种状态被视为物质存在的第四种状态，其内含有活性基、分子、电子和离子等，等离子体整体呈现电中性，常被用来掺杂和刻蚀材料表面。通过氧等离子体处理向MoS2薄膜引入缺陷，可以更加稳定的实现电荷的束缚。

低温氧等离子体处理过程

涉及的实验仪器是电容耦合等离子体处理仪，反应原理图如图2.2所示。设置的具体参数如下：
（1）样品分别编号为1^#~4^#，样品1#作为本征态的样品不处理；
（2）将单层MoS2薄膜放于基片上，密封后抽真空，直至腔压力为8Pa，之后通入气源（氧气），使反应腔内压力保持在~28Pa；
（3）功率调至50W，在13.56MHz放电频率下，开始进行辉光等离子体放电，当看见腔内出现辉光时，开始计时；
（4）样品2^#-4^#分别计时10s、20s和40s，停止辉光放电。

图2.2 低温等离子体处理仪的原理示意图

处理后样品光学显微镜图像
MoS2器件的研究日益受到关注，通过等离子体的处理改变材料的性能，在未来也有着重要的研究价值。低温氧等离子体处理后光镜图，如3.3所示，可以看出处理对样品的形貌造成了较大的改变。
图3.3（b）展示了样品在低温等离子体环境中反应了10s，可以发现处理后单层MoS2薄膜的颜色接近于衬底颜色；图3.3（c）为处理20s后样品的光镜图；图3.3（d）为处理40s后样品的光镜图，可以看出样品的形态发生了改变。光镜图只能表征样品的宏观的信息，如需探究样品的内部结构变化需要运用Raman和AFM测试配合分析。

图 3.3 低温氧等离子体处理后单层 M o S 2 薄膜的光学显微镜图。（a）样品 1 # 的光镜图，（b）样品 2 # 处理 1 0 s 的光镜图，（ c）样品 3 # 处理 2 0 s 的光镜图和（ d）样品 4 # 处理 4 0 s 的光镜图。

处理后样品拉曼散射光谱的变化
前文已经阐述了处理前单层MoS2薄膜拉曼峰位置的情况，面内振动峰E12g位于387.3cm^-1和面外振动峰位置A1g位于405.5cm^-1左右。低温氧等离子体处理后单层MoS2薄膜的Raman散射光谱，如图3.4所示。

图 3.4 低温氧等离子体处理后单层 MoS2 薄膜的Raman散射光谱图。

经过10s处理后，可以观察到单层MoS2薄膜的E¹₂g和A₁g的峰位向右发生了较大的偏移，峰强有了较大的减弱，但两峰位的间距没有发生明显的改变。峰位向高波数移动，即材料内部被引入P型掺杂。在反应腔中反应20s后，Raman散射光谱图中E12g和A1g的峰位相较于处理10s的样品又向右偏移，峰强产生了很大的降低。反应40s后单层MoS2薄膜的两个特征峰消失，表明反应后光镜中的材料已经不是单层MoS2薄膜。产生上述现象的原因是低温氧等离子体处理后，MoS2薄膜中被掺入了氧原子以及反应生成的Mo的多种氧化物。样品峰位的改变最大的原因是外层的S原子被O原子替代，引起外层晶格平面的改变。由于Mo的多种氧化物处于亚稳态，极易向稳定态的MoO3转变，下文皆以MoO3做解析，其反应化学式为。

2MoS₂+7O₂→2MoO₃+4SO₂

AFM表征等离子体处理前后单层二硫化钼薄膜的表面形貌
材料表面形貌影响器件的性能，当材料的粗糙度值Ra较大时，电极与材料产生接触问题，造成接触势垒增大，降低器件性能。纳米材料表征中应用最为广泛的是AFM，最基本的是可以对形貌进行表征，AFM还可以从多角度研究纳米材料的电学和力学性能。

低温氧等离子体处理前后单层MoS2薄膜的形貌图如3.5所示。从图3.5（a）中可以看到样品的表面均匀，几乎看不到杂质，仅在单层MoS2薄膜周围的区域残留少量的胶。本次实验采用的是机械剥离后，直接转移，依靠单层MoS2薄膜和SiO2/Si之间的范德华力吸附在衬底表面，不会出现热转移产生的褶皱和鼓泡现象。低温氧等离子体处理10s后，样品的形貌发生了变化，表面出现较多裂纹，如图3.5（b）。发生上述现象的原因是样品在低温氧等离子体的环境中，氧离子打破了Mo-S键，在晶界处形成裂纹，产生了可以观测的形貌变化。明显看出样品3#的厚度小于样品2#，产生该现象的原因是处理20s后出现刻蚀效应，减薄样品。反应40s后MoS2薄膜的形态消失，变化为颗粒状物质。分析现象产生的原因是在长时间的剧烈条件下样品的Mo-S键全部被打破，Mo原子和原子发生了较为复杂的反应（生成MoO₃），导致样品厚度增加。

图 3.5 低温氧等离子体处理后单层 M o S 2 薄膜形貌图。（a）样品 1 # 的厚度~ 1 nm；（ b）样品 2 # 的厚度~ 5 nm；（ c）样品 3 # 的厚度~ 3.5 nm；（ d）样品 4 # 的厚度~ 6 nm。

本文通过光学显微镜、Raman和AFM探究了低温氧等离子体处理前后样品微观结构的变化。分析Raman散射光谱的变化，发现经过低温氧等离子体处理后，样品的两个峰位都向右发生偏移，原因是样品在处理过程中引入了p型掺杂。通过AFM探索样品的表面形貌和粘附力，发现样品的粗糙度和粘附力的均方根值呈现先增大后减小的趋势，原因是经过短时间的处理，单层MoS2薄膜表面吸附了较多活性基团，亲水性增强，造成粘附力值增大；经较长时间反应后，单层MoS2薄膜表面物理性质发生改变，生成（MoO₃），粘附力的均方根值降低。