O3基原子层沉积与铁电Hf1?xZrxO2薄膜退火过程中WS2的氧化稳定性研究

本研究针对二维材料WS2在铁电HZO薄膜制备过程中的氧化与热稳定性问题，通过O3基原子层沉积(ALD)和高温退火(PDA)实验，结合拉曼光谱、光致发光(PL)和透射电镜(TEM)分析，发现WS2在260°C ALD中仅单层氧化并融入HZO膜，且在400–600°C PDA下保持结构完整，其抗高温氧化性显著优于MoS2。该成果为二维材料与铁电器件集成提供了关键理论支撑。

　　

在纳米电子器件领域，二维过渡金属硫族化合物（TMD）与铁电材料的集成被视为突破传统硅基技术瓶颈的关键路径。然而，当WS₂这类明星材料遭遇铁电Hf_1?xZr_xO₂（HZO）薄膜的制备工艺——尤其是涉及强氧化剂O₃的原子层沉积（ALD）和高温退火时，其结构稳定性面临严峻挑战。先前研究表明，同类材料MoS₂会在类似条件下发生严重氧化分解，导致器件性能急剧劣化。这一"工艺兼容性困境"严重制约了高性能铁电存储器与二维材料晶体管的融合发展。

针对这一难题，韩国成均馆大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表了一项突破性研究。通过系统性实验与理论计算相结合的策略，研究人员首次揭示了WS₂在HZO薄膜制备全流程中的独特稳定性机制。研究采用金辅助剥离法制备单/双层WS₂样品，通过对比O₃与H₂O两种氧化剂的ALD工艺，结合密度泛函理论（DFT）计算、原位拉曼光谱、低温光致发光谱（PL）和截面透射电镜（TEM）等多尺度表征技术，构建了从原子反应路径到宏观性能的完整认知链条。

样本制备
通过优化金膜辅助机械剥离技术，在3×10^?6 Torr超高真空环境下制备出原子级平整的WS₂样品，为后续界面研究奠定基础。

O₃基ALD工艺对WS₂的影响
拉曼光谱显示260°C ALD处理后，WS₂的E¹_2g和A_1g特征峰发生1.5 cm^?1蓝移，PL强度降低35%，表明约单层WS₂被氧化为WO₃并融入HZO基质。DFT计算证实O₃比H₂O更易引发W-S键断裂，其反应能垒低1.8 eV。

退火过程中的热稳定性
在400-600°C PDA处理后，WS₂仍保持晶体结构完整性，仅因硫空位形成导致PL峰轻微抑制（强度下降约20%）。热重分析显示600°C时WS₂质量损失率仅为MoS₂的1/7，证实其卓越的抗高温氧化能力。

这项研究从三个维度改写了学界认知：首先，明确了WS₂在O₃-ALD中仅发生表面单层氧化的"自限制"特性；其次，揭示了WS₂/HZO界面在高温退火下的稳定性边界；最后，通过建立材料选择-工艺参数-性能表现的关联规律，为设计新型铁电存储器提供了理论框架。该成果不仅解决了二维材料与CMOS工艺兼容性的关键难题，更开辟了利用WS₂本征稳定性开发三维集成器件的新途径。正如作者Hyoungsub Kim教授强调的，这项基础发现将加速二维材料在神经形态计算和超低功耗存储领域的商业化进程。