边缘和缺陷对塌陷的MoS2纳米管中电荷分布的影响

《Nanoscale Advances》：Edge and defect effects on charge distribution in collapsed MoS2 nanotubes

MoS2纳米管（NTs）及其折叠形态在电荷注入和分布中表现出显著的结构缺陷依赖性。通过STM、KPFM和c-AFM结合研究，发现终止层、表面碎片及高应变边缘能有效限制电荷横向迁移，导致局部电荷捕获和分布不均，进而降低载流子迁移率并引发空间不均匀的电荷分布。这种结构-电学特性关联对缺陷容忍器件设计至关重要。

　　MoS?，即二硫化钼，是一种具有广阔应用前景的二维材料，尤其在下一代电子与光电子器件中表现突出。随着科技的不断进步，MoS?纳米管（NTs）及其坍塌后的带状结构（collapsed NTs）因其独特的物理与电子特性而受到越来越多的关注。然而，尽管这些材料在合成过程中通常表现出较低的结构缺陷密度，但在器件制造或运行过程中，由于表面损伤或内在缺陷的存在，其性能、稳定性及使用寿命可能会受到显著影响。这种缺陷不仅会导致电荷捕获现象，还可能引入迟滞效应，从而对器件的开关行为产生负面影响。因此，研究MoS? NTs中的电荷注入与再分布机制，以及其对器件性能的影响，成为当前材料科学与电子工程领域的重要课题。

MoS? NTs具有弯曲的形态，这与传统的平面MoS?结构相比，引入了新的电荷捕获机制。在本研究中，通过结合扫描隧道显微镜（STM）、开尔文探针力显微镜（KPFM）和导电原子力显微镜（c-AFM）等技术手段，系统地分析了MoS?坍塌纳米管表面的结构不规则性，包括终止层、表面生长的片状结构以及高度应变区域，对电荷注入、再分布及其对电学特性的后续影响。研究发现，这些结构缺陷在MoS? NTs中扮演着电荷陷阱、散射中心以及传输屏障的角色，导致载流子迁移率下降、局部电荷积累以及空间电荷分布的不均匀性。这些现象表明，纳米尺度下的结构和电学特性表征在设计高可靠性和高性能的过渡金属二硫属化物（TMDs）器件中具有关键意义。

MoS?的电子结构与其层状特性密切相关。MoS?单层由一个钼原子层夹在两个硫原子层之间构成，厚度仅为0.65纳米。层内原子通过强的共价键连接，而层间则依靠较弱的范德华（vdW）力结合。这种结构使得MoS?在二维形式下展现出独特的电子和量子特性，例如其高度各向异性导电性。MoS?的面内导电性显著高于面外导电性，这一特性在器件设计中尤为重要，因为面内电流流动远优于垂直方向的层间传输。此外，MoS?的导电性还受到厚度和晶体取向的影响。在锯齿方向，MoS?的导电性通常高于在扶手椅方向，这与扶手椅方向上较宽的带隙以及不同的耗尽区分布有关。

在MoS? NTs的合成过程中，化学气相传输（CVT）方法常被用于在近热力学平衡条件下制备高质量的晶体结构。坍塌后的纳米管通常呈现出带状形态，边缘圆润，且具有特定的2Hb堆叠序列。坍塌的程度可以从轻微变形的纳米管，其层间间隙仍然存在，到完全坍塌的纳米管，其结构接近单晶。然而，即使在高度弯曲的边缘处，MoS?层仍然保持完整，形成边缘圆润的结构。这一结构特征使得MoS? NTs在电子器件中具备独特的优势，例如其能够有效约束电磁场，支持类似“耳语廊”模式的传播特性。此外，MoS? NTs还表现出固有的压电性，使得机械形变能够直接转化为电子响应，为开发新型传感器和执行器提供了可能性。

尽管MoS? NTs在理论上展现出优异的电学特性，但实际应用中仍面临诸多挑战。其中，电荷捕获现象是影响器件性能和可靠性的主要因素之一。电荷捕获不仅会降低载流子迁移率，还可能引起阈值电压漂移和瞬时电流衰减，从而影响器件的稳定性与寿命。同时，电荷捕获还会导致显著的迟滞效应，使器件的开关行为变得不可预测。这些现象在MoS? NTs中尤为明显，因为其弯曲的形态引入了新的电荷捕获机制，而这些机制在传统的平面MoS?结构中并不存在。

为了深入研究这些电荷捕获现象，研究团队采用了一种基于扫描隧道显微镜的局部电荷注入方法，并结合KPFM和c-AFM技术对电荷再分布过程进行表征。实验中，MoS? NTs被放置在掺杂硅基底上，基底作为接地电极，而扫描探针则作为可移动的上电极。通过在不同偏压下注入电荷，研究人员能够观察到电荷在MoS? NTs表面的传播路径以及其对电学特性的具体影响。实验结果显示，电荷注入后，电荷在纳米管表面呈现出明显的局部积累，随后逐渐扩散至整个表面，形成空间电荷分布的不均匀性。这种现象表明，MoS? NTs中的结构缺陷和表面不规则性对电荷传输路径起到了重要的调控作用。

研究还发现，终止层和表面生长的结构在电荷传播过程中起到了明显的阻碍作用。例如，在一个带有明显终止层的MoS? NT上，注入的电荷被限制在特定区域，无法迅速扩散至整个表面。这一现象在KPFM图像中得到了清晰的体现，即在注入后，该区域的接触电位差（CPD）发生显著变化，而其他区域则保持相对稳定。这表明，终止层和表面生长的结构在一定程度上形成了天然的电荷陷阱，限制了电荷的横向传播。同时，这些结构还可能形成局部的p-n结，进一步影响电荷传输的效率和方向。

此外，高度应变的区域也对电荷注入和再分布产生了重要影响。在实验中，研究人员发现，当电荷被注入到一个折叠区域时，其横向传播受到强烈抑制。尽管应变通常被认为能够改变MoS?的电子结构，例如通过缩小带隙或增强导电性，从而引发半导体到金属的转变，但CPD测量结果显示，电荷并未扩散到应变区域以外。这表明，高度应变的边缘可能引入了额外的能级，这些能级有效地终止了电荷的传输路径。这种现象在c-AFM测量中也得到了验证，即折叠区域的导电性明显高于平面区域，而某些局部区域甚至表现出零导电性。

研究团队还通过扫描隧道光谱（STS）进一步分析了电荷注入对MoS? NTs局部静电势的影响。当电荷被注入到纳米管表面时，其对电子密度的分布产生了显著改变。例如，注入空穴（正电荷）会导致电子密度向更低的能量态移动，从而在负偏压下增强隧穿电流，而在正偏压下抑制电流。相反，注入电子（负电荷）则会使电子密度向更高的能量态移动，导致负偏压下的隧穿电流减少，而正偏压下的电流增强。这些结果表明，电荷注入不仅改变了局部的电势分布，还对器件的电流特性产生了深远影响。

在讨论部分，研究者进一步分析了MoS? NTs中电荷注入行为的物理机制。首先，MoS? NTs的弯曲边缘可能形成天然的电荷屏障，限制了电荷的横向扩散。其次，表面的终止层和吸附物可能通过引入局部的电荷陷阱，进一步阻碍电荷的传输。此外，MoS?与硅基底之间的范德华界面也可能存在缺陷，如空洞、褶皱或吸附的分子，这些缺陷会成为散射中心，降低载流子的迁移率。值得注意的是，即使在去除纳米管后，CPD异常现象仍然存在，这表明界面缺陷可能是电荷传播受限的主要原因。

MoS? NTs的几何结构不仅影响电荷注入行为，还可能对器件的电学性能产生深远影响。例如，纳米管表面的应变和结构不均匀性可能导致局部的电荷积累，从而形成显著的电场梯度。这种电场梯度可能会加速器件的退化过程，甚至在某些情况下引发金属-绝缘体转变。此外，MoS? NTs的压电特性可能在电荷注入过程中被进一步激活，导致材料结构的永久性改变。这些现象为MoS? NTs在电子器件中的潜在应用提供了新的思路，例如在模拟突触、非易失性存储器以及神经形态计算等领域。

本研究的发现不仅揭示了MoS? NTs中电荷注入与再分布的复杂机制，还强调了在器件设计和制造过程中对纳米尺度结构和电学特性的全面表征的重要性。通过深入理解这些缺陷对电荷传输的影响，研究人员可以更有效地优化MoS?基器件的性能，提高其稳定性和可靠性。此外，这些研究结果也为未来开发新型电子与光电子器件提供了理论依据和技术支持，特别是在需要高精度电荷控制和低功耗特性的应用场景中。

总之，MoS? NTs作为一种新型的二维材料，具有广阔的应用前景。然而，其在实际应用中面临的电荷捕获与传输受限问题，需要通过深入的结构与电学特性研究来加以解决。本研究通过多种先进的显微技术，系统地分析了MoS? NTs表面的结构不规则性对电荷传播的影响，揭示了终止层、表面吸附物以及高度应变区域在电荷注入过程中的关键作用。这些发现不仅有助于理解MoS? NTs在电子器件中的行为，还为未来在该领域的发展提供了重要的指导。通过进一步优化材料的结构完整性与界面质量，有望实现更加高效、稳定的MoS?基电子与光电子器件，推动其在下一代电子技术中的广泛应用。