超酸处理实现单层MoS2缺陷修复与钝化：机械可靠性与电子均匀性的协同提升

本研究针对单层二硫化钼(MoS2)高缺陷密度导致的机械可靠性差和电子性能不均问题，通过双(三氟甲烷)磺酰亚胺(TFSI)超酸处理实现了硫空位修复与钝化。研究证实处理后样品静态疲劳可靠性提升2倍，循环磨损寿命延长10倍，并通过原子分辨率导电原子力显微镜(C-AFM)观察到电流分布均匀性显著改善。该成果为二维半导体器件可靠性提升提供了可量产的解决方案。

　　

在半导体器件持续微缩的浪潮中，单层二硫化钼(MoS₂)因其1.8 eV的直接带隙和0.615 nm的超薄结构，被视为延续摩尔定律的理想沟道材料。然而这个"明星材料"却有个致命弱点——每平方厘米高达10¹²-10¹³个的硫空位缺陷，其形成能(2.35 eV)远低于石墨烯的碳空位(7.5 eV)。这些缺陷就像材料中的"定时炸弹"，导致20%的样品在机械测试中提前失效，电子性能也呈现严重的空间不均匀性。

多伦多大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地将原本用于提升光致发光量子产率(PLQY)的超酸处理技术，拓展应用于MoS₂的机械可靠性提升。通过双(三氟甲烷)磺酰亚胺(TFSI)处理，不仅实现了硫空位密度从10¹³ cm^-2降至10¹² cm^-2，更首次证实该技术可使静态疲劳威布尔模量(M)从0.39提升至0.81，循环磨损寿命最高延长至21000次，达到石墨烯的耐磨水平。

研究团队采用聚焦离子束(FIB)修饰的单晶金刚石探针进行原子力显微镜(AFM)纳米力学测试，结合X射线光电子能谱(XPS)表征缺陷密度变化。通过原子分辨率导电原子力显微镜(C-AFM)获得5×5 nm²电流分布图，并采用密度泛函理论(DFT)和从头算分子动力学(AIMD)模拟揭示了氢钝化改变断裂机制的物理本质。

机械可靠性提升

单轴加载测试显示，处理后样品的二维杨氏模量(E_2D)从200±15 N/m提升至215±10 N/m，断裂强度(σ_2D)威布尔模量从14.6增至18.6。更关键的是静态疲劳测试中，处理样品完全消除了提前失效现象，特征寿命(t₀)显著延长。通过威布尔统计分析证实，在85%断裂应力下，失效概率分布明显收窄。

磨损性能突破

接触模式AFM摩擦测试表明，临界法向力(F_cN)从1.4±0.5 μN提升至2.2±0.6 μN。循环磨损测试中，处理样品在80% F_cN载荷下可实现21000次循环，比原始样品提高40倍。摩擦图谱显示处理后的MoS₂磨损轨迹更均匀，无明显材料堆积。

断裂机制转变

AIMD模拟发现原始样品中硫空位周围优先断裂的键3（能垒E_a=1.2 eV），在氢钝化后转变为键1断裂（E_a=1.5 eV）。晶体轨道哈密顿布居(ICOHP)分析表明氢钝化使键1强度降低15%，导致裂纹扩展路径改变，延迟失效发生。

电子均匀性改善

5×5 nm²的C-AFM电流图显示，处理样品电流标准差从4.1±0.9 nA降至0.6±0.4 nA。DFT计算证实氢钝化消除了硫空位引入的带隙中态，使电子密度分布恢复至接近完美晶体的状态。傅里叶变换分析显示处理前后晶格周期保持3.1 ?不变，说明处理未引起晶格畸变。

这项研究的意义在于将超酸处理从单纯的光电性能修饰，拓展为同时改善二维半导体机械与电子可靠性的普适性策略。通过实验与模拟的结合，不仅证实TFSI处理可使MoS₂的疲劳寿命达到结构钢水平(M≈1)，更首次在原子尺度揭示了氢钝化改变断裂路径的量子力学机制。研究提出的"缺陷修复-钝化协同"策略，为二维电子器件走向工业化应用扫清了可靠性障碍，特别适用于需要长期机械稳定性的柔性电子和MEMS传感器领域。