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•实现了单层WS2的损伤可控激光刻蚀。•在低于估算光斑尺寸的情况下，实现了约580纳米的无残留刻蚀宽度。•高斯光束照射实现了空间限定的材料去除。•亚阈值照射引起了局部光学和拉曼性质的变化。•该工艺实现了单层WS2的高分辨率、无光刻图形化。引言石墨烯几乎为零带隙，这从根本上限制
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实现了单层WS2的损伤可控激光刻蚀。
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在低于估算光斑尺寸的情况下，实现了约580纳米的无残留刻蚀宽度。
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高斯光束照射实现了空间限定的材料去除。
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亚阈值照射引起了局部光学和拉曼性质的变化。
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该工艺实现了单层WS2的高分辨率、无光刻图形化。
引言
石墨烯几乎为零带隙，这从根本上限制了其在数字逻辑电路和高性能晶体管中的应用[1]。为克服这一局限，大量研究聚焦于具有有限带隙的二维（2D）半导体，特别是过渡金属二硫族化合物（TMDs）、黑磷和六方氮化硼（h-BN）[2], [3], [4]。TMDs具有范德华（vdWs）层状结构。当减薄为单层时，量子限域效应改变了其电子带结构，使其产生直接带隙，而非多层晶体所具有的非直接带隙[5]。这些独特特性使TMDs成为具有广泛可调带隙的有前景的半导体。因此，它们被视为能够克服硅基器件固有局限的下一代材料。最近的研究还聚焦于通过应变调控、化学掺杂和异质结工程来修饰其带结构[6], [7], [8]。在各种TMDs中，MoS2因其优异的电学性能而被广泛研究。然而，它存在高密度的本征缺陷，如硫空位（SVs），以及相对较低的光致发光（PL）效率[9]。相比之下，WS2具有高光致发光量子产率（约6%）和低有效载流子质量（0.34 m0）[10]，使其成为光探测器、发光二极管和能量收集器件的理想材料[11]。此外，WS2表现出超快光学响应和长激子寿命，进一步凸显了其在先进光电器件中的应用潜力[12]。对于实际器件集成，尤其是在场效应晶体管（FETs）中，TMDs层的精确图形化至关重要，需要可靠的刻蚀技术[13]。等离子体刻蚀可提供高分辨率图形化，但往往会引发化学残留、晶格损伤以及与光刻步骤相关的工艺复杂性[14]。另一方面，软光刻方法（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）压印）简化了制造工艺，但分辨率较低且存在表面变形问题[15]。近年来，基于激光的加工技术已成为TMDs纳米尺度图形化的一个有吸引力的替代方案。连续波（CW）激光照射可实现局部加热，用于减薄、相修饰和刻蚀，无需化学预处理、真空处理或等离子体暴露，同时保持亚微米分辨率[16]。针对TMDs的原子层刻蚀方法也已展示了可控的层去除效果。特别是，Nipane等人报道了基于自限制表面氧化后选择性去除氧化层的WSe2最小损伤逐层刻蚀[17]。与这种逐层刻蚀方法不同，直写激光加工依赖于聚焦光束的空间强度分布，该分布可以确定完全去除材料的区域和周围受亚阈值修饰的区域。然而，在环境条件下进行激光照射可能引发局部表面活化、缺陷形成，以及与大气中O2和H2O分子的后续相互作用，这些均可改变TMDs的局部电子和结构性质[18]。因此，在实现高分辨率图形化的同时最小化激光诱导损伤，确定适当的激光刻蚀条件仍然是一个关键挑战。尽管如此，尽管已有大量关于TMDs激光刻蚀的研究，但高斯激光强度分布、局部缺陷形成及其对光学和电学性能的影响之间的关系尚未得到系统阐明。在本研究中，我们系统研究了单层WS2的激光诱导刻蚀和减薄行为，以阐明加工参数与结构损伤之间的关联。基于聚焦激光束的高斯强度分布，优化了激光功率、照射时间和扫描间距。通过将高斯激光强度分布与结构、光学和电学响应相关联，本研究为以最小晶格退化实现对单层WS2的高分辨率激光图形化提供了一种有效策略。
章节摘要
样品制备
单层WS2薄片通过化学气相沉积（CVD）在p型Si(100)衬底上合成，衬底表面带有300纳米厚的SiO2层。对生长后的WS2薄片进行旋涂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）处理，转速为1500转/分，时间为50秒，以 facilitates 湿法转移工艺[19]。将样品浸入维持在80°C的1摩尔氢氧化钾（KOH）溶液中，将PMMA/WS2薄膜从SiO2/Si衬底上剥离。释放的PMMA/WS2层用去离子水充分清洗。
结果与讨论
图1a展示了实验激光刻蚀装置以及聚焦光束的高斯激光强度分布、其截面强度分布和激光光斑直径与有效刻蚀宽度之间的关系。激光刻蚀使用配备532纳米激光的共焦拉曼光谱仪（NANO BASE XperRAM S Series）进行。激光通过100倍物镜（NA = 0.9）聚焦到WS2表面的局部区域，
结论
在本研究中，我们系统优化了单层WS2高分辨率图形化的激光刻蚀条件，同时最小化了激光诱导损伤。考虑到聚焦激光束的空间强度分布，优化了激光功率、照射时间和扫描间距。高分辨率SEM测量显示，在优化条件下刻蚀宽度约为580纳米，小于估算的衍射极限光斑直径（约720纳米）。
作者贡献声明
Subin Choi：初稿撰写、调查、形式分析、数据整理、概念构思。Hayoung Ko：资源获取、调查。Ki Kang Kim：资源获取、调查。Hye Min Oh：审阅与编辑、指导监督、资源获取、项目管理、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究由韩国政府（科学技术部）资助的韩国国家研究基金会（NRF）拨款支持（RS-2023-00214318和RS-2024-00401881）。本研究由教育部资助的韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划支持（RS-2026-25554017）。
Subin Choi|Hayoung Ko|Ki Kang Kim|Hye Min Oh
