射频磁控溅射MoS2薄膜的电子应用研究：溅射功率对薄膜生长与成分的影响机制

本研究针对射频磁控溅射制备二硫化钼(MoS2)薄膜的工艺优化问题，系统探究了7-50 W低功率区间溅射参数对薄膜形貌、结晶取向及化学组分的影响。通过SEM/TEM/XRD/Raman等多维表征，首次发现垂直取向纳米墙(NWs)结构随功率升高向水平取向转变的规律，揭示氧缺陷与MoSxOy表面化合物的形成机制，为开发高均匀性电子器件提供新思路。

　　

在二维材料研究热潮中，二硫化钼(MoS₂)因其独特的层状结构和可调带隙成为电子器件领域的明星材料。然而传统制备方法如化学气相沉积(CVD)和机械剥离难以实现大面积均匀成膜，且工艺温度高、成本昂贵。更棘手的是，物理气相沉积(PVD)虽能室温制备，但高能粒子轰击会导致硫空位缺陷和成分偏离，严重影响薄膜的电子性能。这些"卡脖子"问题制约着MoS₂在集成电路、传感器等领域的实际应用。

德国伊尔梅瑙工业大学材料与电子工程系（Chair Materials for Electrical Engineering and Electronics, Institute of Materials Science and Engineering and Institute of Micro and Nanotechnologies MacroNano）的Theresa Scheler团队在《Vacuum》发表重要研究，通过精确调控射频磁控溅射功率(7-50 W)，首次系统揭示了低功率区间薄膜生长动力学与缺陷演变的关联规律。研究人员创新性采用多尺度表征技术，结合电学性能测试，为开发高性能电子器件提供了工艺蓝图。

研究团队运用射频磁控溅射(RF magnetron sputtering)在室温下沉积薄膜，通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)解析微观形貌，X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)分析晶体结构，X射线光电子能谱(XPS)和能谱仪(EDS)追踪化学成分演变，最后通过封装器件测试电学性能。

【结构分析】TEM首次捕捉到30nm厚度下垂直排列的纳米墙(NWs)结构，其单层间距达1.32±0.07 nm，比理论值膨胀7%，证实薄膜存在显著拉伸应力。SEM动态观测显示：7W时NWs呈尖锐片状，50W时完全消失转为水平取向颗粒，这种功率依赖的形貌转变源于等离子体粒子能量对分子重排的影响。

【化学组成】XPS深度剖析发现50W样品表面氧含量达28at%，是7W样品(16at%)的1.75倍，证实高功率加剧硫空位缺陷并促进MoS_xO_y化合物形成。EDS长期监测表明暴露空气21天后氧含量趋于稳定，揭示环境老化效应。

【电子性能】全封装SiO₂的Au-MoS₂-Au垂直器件展现出MΩ级电阻和电容特性，电流-电压曲线出现滞后现象，暗示缺陷诱导的电荷 trapping效应可能带来忆阻特性。

这项研究建立了溅射功率-薄膜结构-缺陷化学-电子性能的完整关联模型，其核心突破在于：①发现低功率(7-15W)可诱导垂直取向NWs生长，为各向异性器件设计提供新思路；②阐明氧缺陷的动态演变规律，指出10nm以下超薄薄膜易受环境干扰；③验证磁控溅射制备晶圆级器件的可行性。这些发现不仅为二维材料可控生长提供理论指导，更推动MoS₂在忆阻器、晶体管等电子元件中的实际应用迈出关键一步。特别值得注意的是，研究揭示的功率依赖氧化机制为理解TMDs材料环境稳定性提供了普适性框架，这对开发长效稳定的二维电子器件具有重要启示意义。