金纳米颗粒支撑下MoS2层中应变诱导局域电导调控研究及其纳米器件应用前景

本研究通过将MoS2剥离至金薄膜并经400°C退火处理，成功构建了金纳米颗粒支撑的悬空MoS2应变结构。结合拉曼光谱与隧道原子力显微镜技术，揭示了单层MoS2的电导同时受应变和金纳米颗粒电荷转移调控，而多层MoS2的电导变化主要源于应变诱导的带隙窄化效应。该研究为二维材料应变工程提供了新思路，对开发高性能纳米电子器件具有重要意义。

　　

在纳米科技飞速发展的今天，二维材料因其独特的电子和光学性质成为研究热点。其中，二硫化钼（MoS₂）作为一种典型的过渡金属硫化物，在单层形态时具有1.8-1.9 eV的直接带隙，而多层状态下则转变为1.2-1.3 eV的间接带隙，这种层数依赖的能带特性使其在光电子器件和柔性电子领域展现出巨大应用潜力。然而，如何有效调控MoS₂的电子结构仍是当前研究的重点和难点。

机械应变被证明是调控二维材料电子特性的有效手段。研究表明，单层MoS₂在单轴应变作用下，光学带隙以45-48 meV/%的速率线性减小，双轴应变的调控速率可达99 meV/%，而纳米尺度的弯曲应变甚至能使带隙以400 meV/%的显著速率降低。除了带隙调制，应变还能影响谷极化、引发直接-间接带隙转变，并显著提升载流子迁移率和器件开关比。尽管通过四点弯曲装置、预应变弹性基底、纳米压印等技术可实现应变引入，但在纳米尺度实现可控、局域化的应变工程仍面临挑战。

近年来，金纳米结构（Au NPs）为纳米尺度应变工程提供了新途径。金纳米颗粒与MoS₂的强相互作用不仅导致电荷转移，还能在光照下诱导电子结构重整化。等离激元掺杂效应可造成MoS₂晶格局部畸变，显著增强混合器件的 photocurrent（光电流）。然而，应变与电荷转移对MoS₂局域电导的协同调控机制尚不明确，特别是不同层数MoS₂对这两种效应的响应差异仍需深入探索。

在这项发表于《Surfaces and Interfaces》的研究中，研究人员通过将MoS₂剥离至薄金膜并经400°C退火处理，成功构建了金纳米颗粒支撑的应变MoS₂结构。利用拉曼光谱（Raman spectroscopy）和隧道原子力显微镜（TUNA）技术，系统研究了应变和电荷转移对单层及多层MoS₂局域电导的调控作用。

研究采用8 nm和15 nm厚度的金薄膜沉积在SiO₂/Si基底上，通过机械剥离法将高质量合成MoS₂晶体转移到金膜表面，随后在氩气氛围下400°C退火60分钟使金膜转化为纳米颗粒。使用488 nm激光的共聚焦拉曼光谱系统进行表征，光谱分辨率达0.03 cm^-1。采用轻敲模式原子力显微镜和PeakForce tapping模式的隧道原子力显微镜进行形貌和电导测量，探针力控制在～1 nN以排除机械应力干扰。MoS₂样品通过Sn(48%)/In(52%)焊料与金属电极实现电学接触。

3. Results and discussion

研究首先通过光学显微镜和原子力显微镜确认了MoS₂单层和多层的形成。退火后金膜转变为横向尺寸数百纳米、高度50-100纳米的扁平纳米颗粒，MoS₂单层悬空区域出现明显的沟槽和脊状结构，表明存在显著的机械应变。相位图像显示相位值大于15°的区域对应裸露的金纳米颗粒，而小于-10°的区域对应悬空的双层MoS₂。

拉曼 mapping 显示悬空MoS₂单层区域的E¹_2g峰位值显著降低。通过E¹_2g和A_1g峰位的关联分析，计算出悬空单层区域平均张应变达0.73%，而贴合基底区域仅为0.18%。应变分布呈现较大不均匀性，范围从0.38%到1.26%。同时发现悬空区域n型掺杂浓度为1.24×10¹³ cm^-2，略高于基底支持区域的0.86×10¹³ cm^-2。

隧道原子力显微镜测量揭示了有趣的电压依赖电导行为。在2V偏压下，仅部分应变MoS₂单层区域显示导电性；随着偏压增至4V和6V，导电区域显著扩大，且与金纳米颗粒直接接触的区域也出现导电增强，表明电荷转移的重要贡献。多层MoS₂研究显示，在较低偏压（<3V）下，只有应变区域呈现导电性；偏压增至4V时，整个薄片变为导电。这种应变诱导的带隙窄化效应在拉曼光谱中得到进一步证实，E¹_2g和A_1g频率沿应变梯度变化。

研究通过创新性地将MoS₂与金纳米颗粒结合，成功实现了纳米尺度的应变工程。结果表明单层MoS₂的电导同时受应变和电荷转移调控，而多层MoS₂的电导变化主要源于应变诱导的带隙窄化。拉曼光谱定量分析了悬空区域的应变水平（平均0.73%）和掺杂浓度，隧道原子力显微镜则直观展示了应变区域在低偏压下的优先导电行为。

该研究的重要意义在于揭示了应变与电荷转移在二维材料电学调控中的协同作用机制，为设计高性能纳米电子器件提供了新思路。通过金纳米颗粒实现的可控应变工程方法，为二维材料能带调控提供了简单有效的技术途径。未来研究可进一步优化应变水平，探索应变工程在功能性器件中的集成应用，推动二维材料在柔性电子、光电子器件等领域的实际应用。