宽带SnSe 通过化学计量控制的共溅射技术实现可调带隙的x/Si异质结光电探测器

《Applied Surface Science》：Broadband SnSe x/Si heterojunction photodetectors with tunable bandgap via stoichiometry-controlled co-sputtering

MoS?界面粘附力受接触几何与湿度协同调控，系统探究了三种探针（尖锐/球状/锥状）在10%-90% RH下粘附力随接触时间（0-200s）的演化规律。发现锥状/球状探针在10%-80% RH时粘附力显著随时间变化，而尖锐探针粘附力快速稳定，揭示湿度阈值对接触几何效应的抑制作用。研究为二维材料器件可靠性设计提供新机制。

　　

苏永红|赖天茂

广州大学机电工程学院，中国广州510006

摘要

接触几何形状如何影响层状材料中粘附力的时间依赖性机制仍不明确，尤其是对于具有超低摩擦力和独特层状结构的二硫化钼（MoS₂）。本研究使用原子力显微镜（AFM）和三种不同的悬臂梁配置（尖锐型、球形和金字塔型悬臂梁），在相对湿度（RH）范围为10–90%的条件下，系统地研究了SiO₂-MoS₂界面粘附力的演变过程。结果清楚地表明，接触几何形状决定了粘附力的时间依赖性：在10–80%的RH范围内，金字塔型和球形悬臂梁都表现出明显的粘附力时间依赖性，而在90%的RH范围内则没有这种依赖性。尖锐型悬臂梁在0–200秒的接触时间内没有粘附力时间依赖性，因为粘附力迅速稳定并保持不变。本研究使用的是厚度为50纳米的机械剥离MoS₂薄片。制备过程中可能会引入微量胶带和其他外来污染物，但它们的影响并未主导界面粘附力的核心演变规律。这些发现为缓解基于MoS₂的微/纳机电系统（M/NEMS）中的粘附相关故障提供了重要见解。

引言

研究表明，粘附是MEMS失效的关键因素之一[1]。二硫化钼（MoS₂）是一种二维层状材料，以其超低摩擦系数和优异的化学稳定性而闻名，广泛应用于纳米器件中。然而，其界面粘附力的动态行为，特别是其接触时间依赖性，在二维材料系统中尚未得到系统研究。与传统基于硅的材料不同，MoS₂的层状结构赋予了其独特的界面特性：层间的范德华相互作用可能抑制毛细桥的形成。在传统的基于硅的材料系统（如Si/SiO₂）中，粘附力明显依赖于接触时间。饱和接触时间受湿度、表面处理方法和接触几何形状的显著影响。实验报告的饱和时间范围从0.05秒到200秒不等，并且受到相对湿度和表面处理的显著调控。例如，在30%的RH条件下，不同研究报道的饱和时间分别为4秒[2]和60秒[3]，这表明毛细凝结和液体桥的形成是主要机制。然而，这些研究主要集中在亲水表面上，对疏水层状材料（如MoS₂）的关注较少。这种差异突显了界面物理化学状态的复杂性。理论研究表明，接触几何形状可能在粘附动力学中起主导作用。根据Kelvin方程，悬臂梁的曲率决定了毛细桥的形态和拉普拉斯压力[4]，从而显著影响粘附力的时间依赖性。MoS₂界面上的动态粘附行为仍不为人所熟知，特别是其接触时间依赖性的系统表征。关键问题是，接触几何形状（悬臂梁曲率）是否如理论预测的那样调节SiO₂-MoS₂界面的接触时间依赖性，以及环境湿度如何影响这一过程。为了解决这些问题，本研究采用AFM进行探究：首先，通过比较尖锐型、球形和金字塔型悬臂梁，揭示接触几何形状对SiO₂-MoS₂界面粘附力时间依赖性的影响；随后，在10%–90%的广泛湿度范围内，我们分析了湿度与接触几何形状之间的耦合机制；最终，我们确定SiO₂-MoS₂界面是否表现出与基于硅的材料相似的接触时间依赖性行为。

实验结果

样品和悬臂梁

本实验选择的研究对象是通过机械剥离法制备的Si/SiO₂基底上的MoS₂薄片。该薄片具有完整的层状结构和微米级尺寸。薄片的制备过程严格遵循标准的机械剥离程序。尽管过程中可能会引入微量外来杂质，但通过实验设计将其影响降至最低。图1(d和e)显示了2D和3D AFM地形图像

悬臂梁1#的实验结果

图3展示了悬臂梁1#与MoS₂相互作用的实验结果。实验过程中相对湿度（RH）从约10%逐渐增加到约90%，并且RH变化的顺序严格遵循实验设计。接触时间首先从0秒增加到200秒，然后再次回到0秒。在结果中，接触时间增加阶段获得的数据点显示为蓝色方块（以下简称第一次测量）。相比之下，

结论

本研究系统地研究了不同接触几何形状在广泛湿度范围（10%～90% RH）下对SiO₂-MoS₂界面粘附力时间依赖性的影响，研究对象为厚度为50纳米的机械剥离MoS₂薄片。结果显示，在10–80%的RH范围内，悬臂梁1#、2#和3#都表现出强烈的粘附力时间依赖性，这归因于液体桥的形成、重组和破裂的动态循环

作者贡献声明

苏永红：撰写原始稿件、可视化处理、数据分析、形式化分析、数据管理。赖天茂：撰写原始稿件、项目监督、方法论设计、资金争取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：赖天茂报告称获得了国家自然科学基金的支持；赖天茂还报告获得了广东省基础与应用基础研究基金的支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金 [资助编号：52475181]和广东省基础与应用基础研究基金 [资助编号：2025A1515012268]的支持。