MoS₂(二硫化鉬)，由于其異的帶隙結(jié)構(gòu)(直接帶隙為1.8 eV)，高表面體積比和·越的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET，field effect transistor)性能，已成為具有代表性的二維過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDC, transition-metal dichalcogenide）。使用納米晶（Nano-Crystal，NC）修飾MoS₂，即可以保持每個(gè)組成部分的立性，同時(shí)又提供了復(fù)合材料產(chǎn)生的協(xié)同性，擴(kuò)展了MoS₂材料的應(yīng)用域。精確控制納米晶（NC）在 MoS₂基底上的形貌，包括濃度，尺寸大小和表面體積比，對(duì)電子器件的整體性能影響是至關(guān)重要的。原子層沉積技術(shù)（ALD，Atomic layer deposition）是基于自限制的表面化學(xué)反應(yīng)，對(duì)缺乏表面活化學(xué)反應(yīng)基團(tuán)的二維材料可實(shí)現(xiàn)選擇性表面納米晶修飾，其中NC大小可以通過(guò)循環(huán)次數(shù)來(lái)控制。

    美國(guó)斯坦福大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院的Stacey F. Bent教授，通過(guò)使用臺(tái)式三維原子層沉積系統(tǒng)-ALD發(fā)現(xiàn)了種合成ZnO修飾MoS₂基雜化納米結(jié)構(gòu)（納米片或納米線）的新方法。ZnO納米晶的性，包括濃度、大小和表面體積比，可以通過(guò)控制ZnO循環(huán)次數(shù)以及ALD磺化處理得到的MoS2襯底的性能來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的合成和調(diào)控。通過(guò)材料化學(xué)成分（XPS以及 Raman），顯微鏡觀察(TEM, SEM)和同步加速器X射線技術(shù)(GIWAXS) 分析ZnO與ALD沉積次數(shù)的相互關(guān)系，并結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算的結(jié)果，作者闡明了ZnO在MoS₂襯底上的生長(zhǎng)機(jī)理及其與MoS₂襯底性能的關(guān)系。MoS₂納米片的缺陷密度和晶粒尺寸可以由MoO₃的硫化溫度進(jìn)行控制，ZnO納米晶會(huì)選擇性地在MoS₂表面的缺陷位置處成核，且尺寸隨著ALD循環(huán)次數(shù)的增加而增大。ALD循環(huán)次數(shù)越高，ZnO納米晶的聚結(jié)作用越強(qiáng)，使得ZnO在MoS₂襯底表面的覆蓋和自身尺寸大幅增長(zhǎng)。此外，復(fù)合結(jié)構(gòu)的幾何形貌可以通過(guò)改變MoS₂襯底的取向進(jìn)行調(diào)控，即采用MoS₂的垂直納米線（NWs，nanowires）作為ALD ZnO NCs的襯底，可以大幅改善復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面體積比。該類材料有望用于些新拓展的域，尤其是依賴過(guò)渡金屬鹵化物和NCs相互耦合結(jié)構(gòu)的，如基于p−n異質(zhì)結(jié)的傳感器或光電器件。該工作發(fā)表在2020年的國(guó)際知·名期刊ACS Nano (2020, 14, 1757−1769)上。

圖1. （a）ZnO@MoS₂復(fù)合納米結(jié)構(gòu)示意圖；（b）800°C-MoS₂表面的HR-STEM圖像；（c）兩步合成二硫化鉬的工藝，即在三個(gè)不同的退火溫度下（600,800,和1000°C）下使用H₂S硫化ALD 合成的MoO₃；（d）600 °C-, 800 °C-, 和1000 °C-MoS₂的Raman光譜圖,（e）Zn 2p XPS譜圖（循環(huán)次數(shù)為50次）,（f）相對(duì)原子比 Zn/(Zn + Mo),（g）TEM圖像，（h）表面覆蓋度，（i）MoS₂表面ZnO顆粒的數(shù)密度及（g）GIWAXS（grazing incidence wide-angle X-ray scattering，掠入射小角X射線散射） 圖樣（不同沉積次數(shù)下）；（k）800 °C-MoS₂ 納米線的SEM，TEM和HR-TEM圖像；（l）DEZ（diethylzinc，二乙基鋅）反應(yīng)的量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果,在MoS₂的邊緣位和基面上進(jìn)行DFT分析,黃色和綠色原子分別表示S和Mo。

    上述工作中作者團(tuán)隊(duì)采用的原子層沉積設(shè)備來(lái)自于美國(guó)ARRADIANCE公司的GEMStar系列臺(tái)式三維原子層沉積系統(tǒng)-ALD(如圖2所示)，其在小巧的機(jī)身（78 * 56 * 28 cm）中集成了原子層沉積所需的所有功能，可多容納9片8英寸基片同時(shí)沉積。全系配備熱壁，結(jié)合前驅(qū)體瓶加熱，管路加熱，橫向噴頭等設(shè)計(jì)，使溫度均勻性高達(dá)99.9%，氣流對(duì)溫度影響減少到0.03%以下。高溫度穩(wěn)定度的設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)在8英寸基體上膜厚的不均勻性小于99%，而且更適合對(duì)超高長(zhǎng)徑比的孔徑3D結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)均勻薄膜覆蓋，對(duì)高達(dá)1500：1長(zhǎng)徑比的微納深孔內(nèi)部也可實(shí)現(xiàn)均勻沉積。GEMStar系列ALD系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于高深寬比結(jié)構(gòu)沉積，半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)制備，微納粉末包覆等，服務(wù)于鋰離子電池，超電容器，超電容器，LED等研究域。

圖2. 美國(guó)ARRADIANCE公司生產(chǎn)的GEM-tar系列臺(tái)式三維原子層沉積系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)：

[1]. Il-Kwon, et al., Synthesis of a Hybrid Nanostructure of ZnO-Decorated MoS₂ by Atomic Layer Deposition., ACS nano., 2020,14(2), 1757-1769.

相關(guān)產(chǎn)品：

1.臺(tái)式三維原子層沉積系統(tǒng)-ALD

https://www.chem17.com/product/detail/16838226.html