亚微米宽度的横向过渡金属硫族化合物异质结构结的共振光学相位成像技术，用于高通量检测

《Current Applied Physics》：Resonant optical phase imaging of lateral transition metal dichalcogenides heterostructure junctions with sub-micron width as high-throughput inspection

宽场超光谱相位显微术实现MoS?-WS?异质结高效定位与缺陷分析，通过相位调制捕获弱光学对比界面，相较光致发光效率提升三个数量级，为大面积异质结质检提供实用工具。

　　

Ju Young Kim | Yoojoong Han | Florence A. Nugera | Humberto R. Gutiérrez | Un Jeong Kim | Hyungbin Son

韩国忠?大学综合工程学院，首尔，06974

摘要

横向MoS₂–WS₂异质结构对于可扩展的平面光电子器件至关重要，然而它们的界面通常具有较弱的光学对比度，这使得在明场显微镜下难以识别。拉曼光谱和光致发光（PL）映射可以通过激子对比度清晰地显示这些界面，但其栅格扫描特性限制了快速、大范围检测的实现。本文研究表明，高光谱相位显微镜（HPM）成像能够快速、大范围地检测到对比度较低的MoS₂–WS₂界面。通过直接比较同一区域获得的PL和HPM数据，发现HPM的相位移动在整个异质界面中保持了一致的空间对比度，从而实现了与PL相当可靠的界面定位。线形分析和相关性分析也证实了HPM能够高重复性地捕捉到界面位置。这些结果证明了基于相位的成像技术是PL的有效补充，适用于横向过渡金属硫属化合物（TMDs）异质结构的快速可视化和工艺级监测。

引言

二维过渡金属硫属化合物（TMDs）因其直接带隙、强激子共振以及依赖于基底的可调性而成为超薄光电子和半导体结构的有希望的候选材料[[1], [2], [3]]。其中，横向异质结构——尤其是MoS₂–WS₂配置——提供了无缝的平面II型异质结，增强了态密度和光与物质的相互作用，从而实现了高性能的光电探测器和可扩展的光电子电路[[4], [5], [6]]。这类器件的性能高度依赖于横向界面的 abruptness（突变性）、均匀性和连续性[7,8]。因此，在基础研究和工艺监测中，识别和表征大范围内的异质界面是一个关键步骤。

然而，尽管MoS₂–WS₂界面的光学常数存在差异，但由于标准明场显微镜的对比度有限，窄宽度的横向界面在观察时可能会显得不清晰，因为原子级薄层引起的反射率变化很容易被基底依赖的干涉和传统光学显微镜中的角度平均效应所掩盖[9]。光致发光（PL）和拉曼映射等技术可以通过峰位移动和声子模式不连续性来清晰地显示界面特征[10,11]。然而，大多数商用光谱系统依赖于逐点栅格扫描，因此存在固有的延迟，不适合快速检测或晶圆级评估。几十微米的映射区域可能需要数小时的采集时间，这成为高通量质量控制的重大瓶颈。

为了解决这一吞吐量限制，基于相位敏感干涉对比度的高光谱相位显微镜（HPM）提供了一种替代的大范围方法，用于探测复杂的介电函数变化[12,13]。由于折射率在激子共振附近会发生快速调制，我们假设将入射波长调谐到特定共振可以产生可测量的相位移动（$\Delta ?$），即使在对比度较低的界面也能体现为明显的“光学高度”对比度。然而，共振HPM在可视化横向TMD异质结构和诊断其内部质量方面的实用性尚未得到系统评估。

在这项研究中，我们将HPM与PL映射直接关联起来，用于MoS₂–WS₂横向异质结构。我们证明了在A-激子共振（λ = 676 nm）处识别“负光学高度”可以实现窄界面的高对比度可视化。通过分析来自相同视场的光学高度图和PL强度图，我们验证了HPM能够以与PL映射相当的高重复性和空间精度捕捉到精确的界面位置。此外，该技术实现了三个数量级的吞吐量提升（约1000倍），并有效可视化了内部缺陷分布，凸显了其作为光谱学的高速实用补充工具在可扩展质量评估中的价值。

部分摘录

亚微米宽度横向无缝异质结构的可见性光学限制

本研究中研究的横向MoS₂-WS₂异质结构是通过水辅助化学气相沉积（CVD）方法制备的，如图1a所示。该方法通过动态调节晶体生长过程中的前驱体环境来促进顺序横向外延[11]。如实验部分所详述，水蒸气的引入选择性促进了Mo富集核心的成核和生长。

结论

总之，我们通过一种一锅法水辅助CVD方法成功合成了高质量的横向MoS₂-WS₂异质结构，并解决了其光学不可见界面的关键测量问题。尽管在标准明场显微镜下，由于300 nm SiO₂基底的振幅对比度消失和衍射限制，窄宽度（≤1 μm）的界面无法被识别，但我们证明HPM通过获取相位信息提供了可靠的解决方案。

TMDs横向异质结构的合成

本研究中研究的所有横向MoS₂–WS₂异质结构都是采用一锅法水辅助CVD协议制备的[11]。该方法使用批量的MoS₂（99.9%，Sigma-Aldrich）和WS₂（99.9%，Sigma-Aldrich）粉末作为硫属-金属前驱体。总共120 mg的MoS₂和60 mg的WS₂并排装入高纯度氧化铝舟（70 × 14 × 10 mm）中，并放置在保持在1060°C的1英寸水平石英管炉的中心。

SiO₂/Si

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了忠?大学2023年的研究资助和东国大学2024年的研究基金（S-2024-G0001-00023）的支持。