基于等離子體的二維材料的改性及其應用

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-04-14

二維材料是指自由電子僅可在兩個維度的平面上自由運動的材料。這些材料的共同特征是其塊狀三維晶體是由一層層二維材料堆疊起來的。層與層之間由較弱的范德華力（vander Waals）作用，層內(nèi)原子間以強共價鍵結(jié)。下圖1.1所示為反復通過機械剝離法制備出的較薄石墨烯層的掃描隧道顯微鏡（SEM）的圖片（左）以及單原子層厚的石墨烯的掃描隧道顯微鏡（SEM）圖片（右）。

圖 1.1 石墨烯層的掃描電子顯微鏡圖-NAENPLASMA

二維材料因其載流子的遷移和熱擴散都局限在兩個維度的平面內(nèi)，不能在層與層之間運動，從而展現(xiàn)出許多奇特的性質(zhì)。二維材料的每層彼此通過分子間作用力接觸形成界面。這種層間相互作用的缺失對于研究它們的能帶結(jié)構非常重要。二維材料由于其量子效應和高表面積與體積比，使用化學和機械手段在改變其性質(zhì)方面也起著重要作用。實際上，二維材料的“全表面”性質(zhì)提供了通過表面處理（例如通過化學功能化）來定制其性質(zhì)的可能?；诙S材料各領域迅速發(fā)展因其只有一個原子層的厚度。除此之外，二維材料易于加工、可直接操控電荷載流子的移動，電荷載體具有的手性特性，在室溫和低溫都具有非常高的載流子遷移率，以及高導熱性等特性使得二維材料有望成為最適合最終創(chuàng)建新一代電子設備的候選材料。

基于等離子體的二維材料改性工藝

二維材料由于其獨特的性質(zhì)成為近年來科研工作者熱衷追逐的對象，更是一躍成為可能替代傳統(tǒng)半導體材料的熱門候選者。伴隨著單層石墨烯的發(fā)現(xiàn)與研究，更多種類的二維材料進入人們的視野。但材料的種類終究是有限的，要想實現(xiàn)二維材料的功能化，可控制備與改性是必不可少的。近年來，等離子體處理為二維材料提供了通往新特性、新應用的大門，這遠遠超出了新型二維材料的生長制備所帶來的收益。

目前，利用等離子體改性的TMDs制造出各種性能卓越的電子和光電子器件，包括整流二極管、背柵場效應晶體管、多位存儲晶體管、光伏器件和光電二極管，證明了可控等離子體摻雜的好處。研究發(fā)現(xiàn)通過溫和氧等離子體處理可以實現(xiàn)對單層MoS₂的PL增強。存在于S空位上的O原子誘導了強烈的電荷轉(zhuǎn)移，導致了嚴重的p摻雜，并將三激子轉(zhuǎn)化為中性激子。位于缺陷位置的激子通常具有更大的結(jié)合能，這抑制了熱激活的非輻射復合，導致高PL增強。通過仔細控制實驗條件，PL增強可以高達100倍。二維材料的電子性質(zhì)也可以通過等離子體處理來調(diào)節(jié)，例如降低接觸電阻，調(diào)整n/p或雙極性行為，以及提高載流子遷移率。

研究發(fā)現(xiàn)在WSe2中通過H₂/He等離子體引入的Se空位產(chǎn)生了n型摻雜，摻雜濃度的增加會降低肖特基勢壘（SB）的寬度。因此，更多的電子可以通過SB隧穿注入WSe2，使得FET的開態(tài)電流增大了20倍，接觸電阻（Rc）減小了2個數(shù)量級，亞閾值擺幅高達66mV/dec。等離子體工藝也被用來提高二維材料的載流子遷移率，研究證明了MoS₂中的S空位可以通過氧等離子體處理修復。如圖1-2所示，在等離子體處理后，與S空位相關的激子峰幾乎消失，這意味著MoS₂中大部分空位被氧填滿，空位散射中心被移除，電子遷移率增加了約48倍。同樣，在N₂等離子體處理后，WS₂中的硫空位可以由氮原子填充，這一點也得到了證實，減小了空位的密度，使得遷移率提高到184.2cm²V^-1s^-1。