生长在功能基底上的二硫化钼薄膜的界面性质

《ACS Omega》：Interfacial Properties of MoS2 Thin Films Grown on Functional Substrates

　　

在单晶基底上生长的二硫化钼（MoS2）薄膜中的界面化学与缺陷形成会关键地决定MoS2的电子结构，从而强烈改变其在电子学、光电子学和能源相关催化等许多应用中的材料功能性。研究人员在三种具有技术相关性的基底上研究MoS2，即SrTiO3(111)、c轴Al2O3(0001)和6H-SiC(0001)。通过温度依赖电阻率、光电子能谱（XPS）以及耦合能量色散谱的扫描透射电子显微镜（STEM-EDS）开展实验研究，并以密度泛函理论（DFT）计算作为支撑，从而识别由基底诱导的特定缺陷及其与电子性质的关联。SrTiO3/MoS2中的Ti互扩散产生费米能级附近的p型态，导致金属性输运；Al2O3/MoS2表现出高密度硫相关缺陷，引入局域态并产生几乎与温度无关的导电性；SiC/MoS2表现出显著界面无序，导致半导体型温度依赖电阻率，但偏离理想体材料行为。这些结果表明，基底选择如何控制缺陷形成并最终主导MoS2薄膜的电子行为，使得控制薄膜/基底相互作用对于新型功能器件工程至关重要。

研究背景方面，在各类过渡金属硫族化合物（TMDCs，transition-metal dichalcogenides）中，二硫化钼（MoS₂）因其在电子、光电子、量子技术和能量转换中的基础性质与技术价值受到广泛关注。当MoS₂作为薄膜生长于特定基底上时，其结构、电子和光学响应对膜/基界面十分敏感。硫相关缺陷、氧或离子从基底互扩散等点缺陷可在带隙中引入局域态、改变电荷密度并增强催化活性；在基于MoS₂的量子技术中，基底诱导缺陷还会影响自旋—谷激子学。多晶MoS₂薄膜常由化学或物理气相沉积获得，虽存在晶界，但仍可用于大面积和柔性电子。SrTiO₃（STO）、Al₂O₃和SiC均为宽禁带材料，可作为MoS₂电子与光电器件平台，但不同界面会诱导特定修饰，目前对基底如何系统控制缺陷谱与输运行为仍缺乏统一认识，因此需要在原子/电子尺度厘清界面化学与缺陷形成机制。该研究发表于《ACS Omega》。

主要关键技术方法方面，研究人员采用脉冲激光沉积（PLD，pulsed laser deposition）在STO(111)、c轴Al₂O₃(0001)和6H-SiC(0001)单晶基底上生长多晶MoS₂薄膜；用四探针范德堡法在10 K—325 K进行电学输运测量；在同步辐射下对2 monolayer（ML）超薄膜做XPS，并在相同生长条件下对较厚膜做截面HAADF-STEM与STEM-EDS以分析界面元素分布；计算上使用Quantum ESPRESSO进行密度泛函理论（DFT）计算，采用PBE泛函、核激发赝势方法获得S 2p核能级位移与态密度（DOS）。样本为上述三种单晶功能基底上PLD生长的MoS₂薄膜。

Results and Discussion部分，温度依赖电阻率显示STO/MoS₂室温电阻率0.22 mΩ·cm且具类金属行为，SiC/MoS₂为3.8 mΩ·cm的半导体行为，Al₂O₃/MoS₂为7.3 mΩ·cm且近温度无关，说明基底强烈调控电子行为。XPS对2 ML膜显示Mo 3d线形在三者间宽化递增，S 2p向高结合能不对称增强；S/Mo比依次为1.94、1.18、1.45，表明硫空位与硫相关缺陷密度随STO→Al₂O₃→SiC增加；价带（VB）谱显示STO和Al₂O₃样品在费米能级（E_F）附近Mo 3d态增强，价带顶（VBM）分别移至+0.020 eV和+0.026 eV，SiC为+0.420 eV。STEM-EDS显示STO/MoS₂有约5 nm深Ti向MoS₂互扩散；Al₂O₃/MoS₂界面锐利无互扩散；SiC/MoS₂存在约16 nm含氧层，对应SiC表面本征氧化。DFT计算中，Ti取代Mo使价带边附近出现附加态、提高E_F处态密度，与p型类金属输运一致；Al₂O₃体系可用硫空位和空心位硫吸附原子（S^ad_hol）解释局域态；SiC体系则为氧取代硫、碳取代硫、硫相关缺陷与晶格失配导致多缺陷无序，无法用单一Arrhenius、Mott变程跳跃或Efros–Shklovskii跳跃模型描述。

讨论部分总结而言，研究人员指出界面缺陷不是高度稳定基底就能避免；XPS、STEM-EDS与DFT联合表明，STO体系以Ti相关界面修饰最关键，Al₂O₃体系以硫相关缺陷为主，SiC体系以化学/结构无序为主。这些界面现象不仅适用于MoS₂，也适用于更广的TMDCs与薄膜功能材料，为通过界面工程诱导新电子态和定制器件功能提供基础。

Conclusions部分译为：通过实验XPS与STEM以及理论DFT考察化学环境与缺陷形成的相互作用，研究人员解释了STO、Al₂O₃和SiC上MoS₂薄膜电阻率的温变行为。STO上MoS₂的低阻类金属行为可与Ti相关界面修饰相关联，其中Ti取代是最合理的微观构型之一，并与其他过渡金属掺杂导致MoS₂ p型行为的文献一致，但不排除其他Ti相关缺陷共存。Al₂O₃与SiC体系则分别与硫相关缺陷和增强的化学/结构无序相关；Al₂O₃膜中硫空位更多，SiC膜中结构化学无序更高，因而SiC样品电阻随降温显著上升而Al₂O₃斜率较小但其室温电阻率更高。该研究所示互补技术表明，即便在高度稳定基底上也会形成非预期界面缺陷；所识别构型虽非终极原子尺度判定，但是实验与理论最一致的重构。忽视这些界面缺陷会误导结果解释，而理解并控制它们可调控界面性质，对MoS₂、其他TMDCs及更广薄膜材料的膜/基界面设计具有重要启示。