ACS Nano: 脈沖激光沉積實現大面積制備MoS2的原位厚度控制

在2D TMDs材料中，層狀MoS2薄膜是被報道最多的，通過控制厚度，其能帶結構會發生從直接帶隙到間接帶隙的變化，因此其應用非常廣泛，包括氣體傳感器、光電晶體管、柔性薄膜晶體管、鋰離子電池電極和異質結二極管等等。最近，單層MoS2的壓電效應也被報道了。特別微電子行業，因為其可以大大降低短溝道效應，不影響漏感應勢壘的降低，2D MoS2被認為是制造新一代高性能場效應晶體管的理想材料。然而，目前的制備方法，實現高質量、層數可控大面積制備MoS2還是一大難題，嚴重阻礙了MoS2在應用領域的發展。

脈沖激光沉積 （Pulsed laser deposition），就是將激光聚焦于靶材上一個較小的面積，利用激光的高能量密度將部分靶材料蒸發甚至電離，使其能夠脫離靶材而向基底運動，進而在基底上沉積，從而形成薄膜的一種方式。 在眾多的薄膜制備方法中，脈沖激光沉積技術的應用較為廣泛，可用來制備金屬、半導體、氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物、硫化物及氟化物等各種物質薄膜，甚至還用來制備一些難以合成的材料膜，如金剛石、立方氮化物膜等。

近日，美國德克薩斯大學Manuel A. Quevedo-Lopez團隊報道了一種用于MoS2薄膜生長的脈沖激光沉積法，該方法實現了大面積層數可控地制備MoS2薄膜。該方法在制備層狀MoS2方面有如下優勢：（1）在激光沉積過程中，對靶激光燒蝕的過程常常被激活，增強了生長薄膜界面的關聯化學，降低了表面活化能；（2）厚度控制是通過簡單操控沉積壓強，激光頻率和能量等參數，從而調諧等離子體的動能來實現的；（3）該方法可以在多種襯底上生長MoS2，包括單晶（藍寶石和石英）、多晶（HfO2）和非晶（SiO2）材料；（4）從靶到襯底，實現燒蝕材料的化學計量精確轉移。該方法可以原位精確控制MoS2的層數（從一層到十層）。

【圖文詳解】

圖1? MoS2/S靶，從不同靶沉積制備出的MoS2薄膜TEM成像，薄膜的拉曼光譜：（a-d）脈沖激光靶，TEM橫截面成像和層間距的測量，a-d分別對應的是在100 °C/2 μm, 75 °C/2 μm, 75 °C/43 μm制備的靶和商業用靶；（e）前面四種條件制備的MoS2薄膜的拉曼光譜，虛線表明單層MoS2的拉曼移動值。用于脈沖激光沉積制備MoS2薄膜的靶是通過傳統粉末冶金方法制備的。

圖2 （a）在50.8mm直徑藍寶石晶圓上利用脈沖激光沉積法制備的MoS2薄膜（1.33nm厚，兩單層）；（b）沒有MoS2薄膜的藍寶石晶圓；（c）MoS2薄膜的拉曼表征。

圖3? MoS2薄膜的盧瑟福背景散射光譜：（a）實驗光譜，插圖為對75 °C/43 μm薄膜的實驗光譜和數值模擬光譜；（b）Mo/S比例和薄膜厚度的變化關系曲線，插圖為75 °C/43 μm靶（綠色）和商業靶（T）的局部放大圖。

圖4?在不同襯底上制備出的MoS2薄膜和對應的拉曼光譜，薄膜厚度分別為2.5、2.8和2.1nm。

圖5 不同分級厚度的MoS2薄膜和對應的拉曼成像：（a）利用脈沖激光沉積在藍寶石晶圓上制備的具有厚度梯度的MoS2薄膜的光學成像；（b，c）拉曼光譜和拉曼成像；（d）區域1-5橫截面的TEM成像，表明在整個襯底上，MoS2薄膜的厚度梯度的分布。

文獻鏈接：Large-Area Deposition of MoS2?by Pulsed Laser Deposition with?In SituThickness Control（ACS nano,2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b01636）。

本文由材料人編輯部靈寸供稿，材料牛編輯整理。

歡迎加入材料人科普團隊，一起進行材料頂刊學術動態的跟蹤和報道以及SCI相關知識科普等。加入方式：（1）加入材料人文獻檢索群（410109144），私信管理員“成都-小小（QQ:763044722）”報名；（2）點此處報名。