單層二硫化鉬的力學性能及缺陷工程研究進展

涂莉萍，李明林,2，萬亞玲，王衛東

(1. 福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350116； 2. 福建省高端裝備制造協同創新中心，福建 福州 350116； 3. 西安電子科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710071)

0 引言

二硫化鉬(MoS2)是輝鉬礦的主要成分，由于其存在與石墨類似的低層間摩擦特性，長期以來被廣泛用作固體潤滑劑。2004年以來由石墨烯的被發現而引發了二維材料研究熱潮[1]，MoS2由于其優異的半導體特性而得到特別關注。MoS2體材料的能帶間隙為1.29e V[2]，是間接帶隙半導體，具有抗磁性。隨著層數的不斷減少，能帶間隙不斷擴大，單層二硫化鉬(SLMoS2)的能帶間隙可達1.8e V[3]，為直接帶隙半導體。這使得SLMoS2在納電子器件、納光電子器件中擁有光明的應用前景[3-8]。

已有多篇文獻綜合介紹了MoS2各方面的研究進展：Wang等人[9]回顧了包括MoS2在內的過渡金屬二硫化物(transition metal dichalcogenides，TMDs)的自上而下和自下而上制備方法以及其電學、光學特性和應用前景。Chhowalla等人[10]綜合介紹了TMDs(包括MoS2)的組成、晶相和電子結構，化學剝離法和化學氣相沉積法等制備方法，以及其在儲能方面的應用。Huang等人[11]專門針對MoS2發表了講解性評述，綜合介紹了其制備方法、晶體結構、機械特性、電學特性和光學特性，以及其在電子器件、光電器件、傳感器和儲能器件等領域的應用。浙江大學徐明生等人[12]全面回顧了類石墨烯二維材料在2013年前的重要研究進展，主要集中在電學和磁學特性、應變效應和功能化修飾。江進武[13]對比回顧了石墨烯、MoS2、石墨烯/MoS2異質結構等二維材料的力學性能研究進展。賴占平[14]簡要介紹了當時MoS2的器件研制、性能表征和制備方法等方面的研究進展，并對制備高品質的SLMoS2提出了研究建議。湯鵬等人[15]也綜合介紹了MoS2的制備、表征、光物理性質和相關機理以及在光電子器件領域的應用研究進展。顧品超等人[16]也回顧了MoS2的幾何結構、能帶結構、光學性質、制備方法及其在電子器件領域的應用。然而，這些文獻均少有涉及SLMoS2缺陷工程方面的研究進展。半導體缺陷工程的概念最早是由日本學者在1984年于日本東京召開的“半導體缺陷與性能”會議上提出的[17]。其主旨是希望通過對缺陷的深入理解，揚長避短，合理控制(消除或引入)缺陷以達到提高半導體器件性能的目的。

本文重點闡述了SLMoS2獨特的物理化學性質及其力學性能的最新進展研究，著重介紹SLMoS2在制備和表征過程中存在的固有缺陷類型和晶界，介紹近年來基于理論和實驗方法所揭示的缺陷和晶界對其物理化學性能的影響，并對其力學性能和缺陷工程的研究提出了展望。

1 SLMoS2優異的物理化學性能

1.1 在電特性方面

2011年Kis研究組[3]構造出SLMoS2場效應晶體管(FET)，率先實現室溫下其電子遷移率約200 cm2/V/s，且電流開關比高達108，打開了SLMoS2在納米半導體領域的應用之門，如圖1所示。據此，將SLMoS2應用于制備集成電路和非門邏輯電路[4]，推進了更小型、更低能耗的半導體器件的研發進展。 2012年馮濟等人[7]首次揭示了SLMoS2的谷選擇圓偏振光吸收性質，解決了谷電子學應用的最大挑戰——谷極化在單層原子薄膜中的實現。2015年Lee及其團隊[18]利用NiOx肖特基電極研究基于MoS2的金屬半導體場效應晶體管，獲得在一定的低閾值電壓下，約10層的MoS2的電子遷移率高達500～1 200 cm2/V/s。

圖1 SLMoS2場效應晶體管

1.2 在光特性方面

Kis研究組在2013年將MoS2應用于光電探測器[5],如圖2所示，獲得空前的比第一個石墨烯光電探測器高約為106倍的光敏特性，比2011年Zhang研究組[6]制作的SLMoS2光敏晶體管的光敏特性高出近105倍。

圖2 SLMoS2光電探測器[5]

1.3 在熱特性方面

2014年Wei等人[19]對SLMoS2與單層石墨烯的聲子熱導率進行比較。研究發現由于其超短固有聲子平均自由程，SLMoS2帶的熱傳導率對尺寸和邊緣粗糙度不敏感，如圖3所示。2015年Jin等人[20]研究了SLMoS2的電子和聲子的傳輸性能。通過分子動力學(molecular dynamics, MD)模擬，獲得SLMoS2的熱傳導率高達116.8 Wm-1K-1，這使其在熱電工程領域具有光明的應用前景。2015年Zhang等人[21]利用改良后的光熱拉曼技術測得室溫下SLMoS2的熱導率為84(±17) Wm-1K-1，與理論預測值十分接近。實驗還發現，由于聲子散射，SLMoS2的熱導率隨著環境溫度的升高而降低。

圖3 依賴于SLMoS2熱導率的長度、寬度和邊緣粗糙度

1.4 在諧振性方面

2013年Feng等人[8]將9層厚的MoS2薄膜應用于納米諧振器，獲得室溫下其性能指標(頻率和品質因子乘積)f0×Q≈ 2 × 1010Hz，是迄今包括石墨烯在內的二維材料中性能最優良的納米諧振器之一，如圖4所示。此外，該研究組于2014年對由MoS2鼓狀薄膜制成的高頻納米諧振器的空氣阻尼進行了實驗測試。研究發現單層及多層(<70 nm厚)圓形MoS2鼓狀薄膜諧振特性表現出明顯的環境壓力相關性[22]。

圖4 SLMoS2納米諧振器

1.5 在力學特性方面

1) 楊氏模量

SLMoS2楊氏模量是近年來對其力學性能首要關注的研究內容。目前，SLMoS2楊氏模量主要通過理論預測和實驗測試來獲得，但不同方法得到的楊氏模量數值存在顯著的差異，如表1所示。

表1 SLMoS2的楊氏模量

2011年Bertolazzi等人[23]將制備的薄層MoS2材料轉移到帶550 nm圓孔的硅襯底表面，基于原子力顯微鏡(AFM)探針的壓痕實驗，測得SLMoS2的楊氏模量為270(±100) GPa，對應的面內剛度為180(±60) Nm-1。2013年Cooper等人[24]通過納米壓痕實驗，測得SLMoS2的有效楊氏模量(或面內剛度)為120(±30) Nm-1。

2013年Jiang等人[25]基于Stillinger-Weber(SW)勢，利用經典MD模擬分析了手性、尺寸和應變對MoS2楊氏模量的影響。結果發現在周期性邊界條件下，無論扶手型(armchair, AC)方向還是鋸齒型(zigzag, ZZ)方向，SLMoS2楊氏模量最終收斂于229.0 GPa。2014年Jiang和Park[26]在對SLMoS2、石墨烯/ MoS2/石墨烯異質結構的力學性能進行MD模擬中，獲得室溫下SLMoS2在AC方向的楊氏模量為128.75 GPa，遠低于石墨烯，且約為異質結構的1/3。此外，研究還表明SLMoS2楊氏模量在0～300 K溫度范圍內可以保持相對穩定，這與文獻[27]的研究結果差別明顯。文獻[27]顯示，SLMoS2楊氏模量在4.2 K～500 K的溫度范圍內隨溫度升高而單調遞減。2014年Gan和Zhao[28]使用第一性原理，獲得SLMoS2的楊氏模量為200.3(±0.2) GPa，并且發現空穴的引入降低了SLMoS2的楊氏模量和斷裂強度。2015年Fan等人[29]基于第一性原理研究發現：在約2%的小應變下，SLMoS2的楊氏模量約為250 GPa，與文獻[23]的實驗結果一致。通過理論預測和實驗測試，SLMoS2的楊氏模量約為120～370 GPa，面內剛度為78～240 Nm-1，且手性效應不明顯，但受空穴的影響較大。

2) 強度

2011年Bertolazzi等人[23]基于AFM納米壓痕實驗測得SLMoS2的平均斷裂強度為15(±3) Nm-1。利用同種方法，2013年Cooper等人[24]測得SLMoS2的固有強度為16.5 Nm-1，與Bertolazzi等人的結果十分接近。2014年Gan和Zhao[28]利用第一性原理獲得在單軸拉伸試驗下SLMoS2在AC方向的極限強度為23.6 GPa, 在ZZ方向的極限強度為16.1 GPa。 2015年Fan等人[29]測得SLMoS2的理想強度為24.6 GPa，與文獻[23]的實驗結果一致。理論和實驗研究均獲得較為一致的SLMoS2拉伸斷裂強度。

3) 彎曲模量

2013年Jiang等人[30]結合原子經驗勢，得出SLMoS2彎曲模量的解析式：

(1)

其中:W為彎曲能量密度，κ為彎曲曲率，rq為變形后的鍵長，θq為鍵角。基于SLMoS2的三原子層厚，式中?rq/?κ和?θq/?κ均不為零。所獲得SLMoS2的彎曲模量為9.61e V，比石墨烯的1.4e V[31]大了7倍，這可歸因于其三原子層厚。2016年Xiong和Cao[32]使用MD模擬，獲得SLMoS2合理的彎曲剛度為(8.7～13.4)e V；并且發現，如果采用合理的厚度假設，連續力學彎曲理論可以準確預測SLMoS2彎曲剛度。此外，2016年Yu等人[33]提出彎曲二維材料可控制局部電荷和費米能級轉移，并利用經典線彈性理論研究了1H-MoS2(1H是SLMoS2的一種相結構, 1H-MoS2中Mo原子是三方柱面體配位[10, 34])的彎曲能量，獲得1H-MoS2的彎曲剛度為157.59 N?。

4) 屈曲現象

屈曲的發生會影響材料在使用過程中的穩定性。歐拉屈曲定理指出屈曲臨界應變可以通過有效楊氏模量和彎曲模量來確定，公式為[35]：

(2)

其中:D為彎曲模量，E2D為有效楊氏模量，L為系統長度。2014年Jiang[36]對受力下的SLMoS2聲子能帶隙工程進行研究。研究發現：單軸拉伸時SLMoS2的聲子能帶隙可以縮小并在屈曲應變ε=0.145時完全閉合；然而雙軸拉伸對聲子能帶隙只有有限的影響。此外還證明對SLMoS2進行壓縮會誘發屈曲。同年，Jiang[37]又發現當屈曲應變ε=0.009 4時會產生屈曲現象(SLMoS2的長度L=60 ?)。此外還發現在溫度T<50 K時，臨界應變幾乎與溫度無關；當T>50 K時，臨界應變則隨溫度的增加而增加。

為實現MoS2的上述應用，原則上期望能獲得大面積的無缺陷SLMoS2薄膜。然而，不管是機械剝離(ME)法、物理氣相沉積(PVD)法或化學氣相沉積(CVD)法制備的SLMoS2薄膜都或多或少地存在各類缺陷或晶界。

2 SLMoS2的結構缺陷

2013年Zhou等人[38]系統研究了化學氣相沉積法制備的SLMoS2薄膜的固有結構缺陷——點缺陷和晶界，確定了6種點缺陷——分別是：單硫原子空穴(VS)、雙硫原子空穴(VS2)、單鉬原子和周邊三硫原子空穴(VMoS3)、單鉬原子和周邊六硫原子空穴(VMoS6)、單鉬原子替換雙硫原子的反位缺陷(MoS2)和雙硫原子替換單鉬原子的反位缺陷(S2Mo)，點缺陷以VS和VMoS3為主；以及5種位錯芯類型——分別是：4|4環、4|6環、4|8環、5|7環、6|8環，如圖5所示。

圖5 SLMoS2的點缺陷和位錯芯

2015年金傳洪等人[39]全面觀察了ME、PVD和CVD等方法制備的SLMoS2薄膜，研究其固有的點缺陷，特別是反位缺陷，增加定義了3種點缺陷：單鉬原子空穴(VMo)、單鉬原子替換單硫原子的反位缺陷(MoS)、和單硫原子替換單鉬原子的反位缺陷(SMo)。此外，還發現PVD制備的SLMoS2點缺陷類型以MoS2和MoS為主，而ME和CVD方法則以VS為主要缺陷類型，如圖6所示。

世界因缺陷而豐富多彩，材料的性能即可受制于缺陷也可受益于缺陷[40]。缺陷和晶界的存在不同程度地影響著單層MoS2的物理和化學性能。

圖6 SLMoS2的反位缺陷和濃度

3 缺陷對SLMoS2物理化學性能的影響

在電特性方面，2013年Heine等人[41]研究發現單原子空穴可大幅度降低平均電導率。導電率的減少既依賴于缺陷的類型和濃度，又依賴于電子傳輸方向，特別是對于晶界或線缺陷，導電率呈現出明顯的各向異性。同年美國Wang等人[42]模擬研究顯示，鉬原子空穴可促使SLMoS2隧穿二極管的隧穿電流增加10倍。2015年Lauhon、Hersam等人[43]巧妙地利用SLMoS2的晶界構造了三類門控憶阻器。獲得了開關比約為1000且可調的負微分電阻。

在化學催化方面，2014年Rahman等人[44]針對形成隊列和片狀補丁的兩類VS空穴堆積進行第一性原理計算，初步研究發現隊列形狀的VS空穴堆積對酒精合成的催化活性優于片狀補丁。該研究預示著可以通過裁制空穴的幾何形狀優化其催化特性。

在光特性方面，2014年Nan等人[45]發現在高溫真空退火中形成的缺陷或縫隙可使SLMoS2的光致發光性能增強千倍，而且在空穴處引入氧原子可進一步增強其發光性能。

在磁特性方面，2014年楊騰研究組[46]通過計算發現，拉伸應變會在SLMoS2的空穴附近誘發磁矩。對于VS空穴和VMo空穴，10%和7%的雙軸拉伸應變可誘發不小于2 μB的磁矩。該特性預示著可以利用無磁性的MoS2材料制作新型的邏輯器件或存儲開關。

在熱特性方面，2015年江進武等人[47]研究表明，0.5%濃度的VMo空穴或12%的拉伸應變可分別使得SLMoS2的導熱率降低60%。而且拉伸應變對熱導率的影響與有無空穴無關。缺陷和應變對SLMoS2熱導率的調制作用可促使其應用于熱電器件和熱管理領域。

在力學特性方面，2014年Dang和Spearot[48]通過基于REBO原子勢的分子動力學模擬研究，發現VS空穴和晶界的存在改變了SLMoS2的斷裂機理，并導致其斷裂強度的降低。同年，美國Zhao研究組[28]利用第一性原理計算方法，研究獲得含VS空穴的SLMoS2在AC方向的斷裂強度為17.8 GPa, 在ZZ方向的為15.4 GPa；含VS2空穴的在AC方向的斷裂強度為18.7 GPa, 在ZZ方向的為15.6 GPa。此外，2016年本課題組[49]研究了基于REBO勢的VMoS3點缺陷對SLMoS2彈性性能的影響。利用經典MD模擬發現VMoS3空穴濃度的增加會使得SLMoS2彈性模量明顯的減少(彈性模量減少的最大值達25%)，但對泊松比的影響較小。

4 結語

由以上研究可以發現，SLMoS2的楊氏模量和斷裂強度相對石墨烯而言并不大，但是SLMoS2有較高的彎曲模量，相對而言更不易屈曲。因此，研究者綜合利用MoS2和石墨烯的優異力學性能，構造異質結構，以便更好地發揮出材料卓越特性。缺陷的引入更是賦予SLMoS2新的活力，不僅不斷激發和突破材料的各方面優異性能，而且也在不斷沖擊人們對常規物理化學本質規律的認識。基于上述研究，認為關于半導體性SLMoS2的缺陷工程研究在以下方面需要更多的關注：1) 缺陷、摻雜等因素的SLMoS2的力學行為的影響及相關機制；2) SLMoS2在熱、電、磁、力等耦合狀態下的力學性能及相關機制；3) SLMoS2壓縮、拉伸、剪切等力學行為的實驗測試及相關機制。此外，雖然SLMoS2與其他物質組成異質結構已引起廣泛的關注，但其各異質結構力學性能參數的預測也是一個值得研究的方向。

自制備出單層和少層的MoS2以來，關于SLMoS2的研究不斷取得新的突破，充分顯示了SLMoS2在研究與應用領域的巨大潛力。SLMoS2具有不同于石墨烯的直接帶隙，使得其在二維納米材料領域更是脫穎而出。缺陷和晶界的存在更賦予了SLMoS2薄膜優異的物理化學性質，對缺陷的控制和利用可增強SLMoS2的各方面性能，然而其缺陷工程方面的研究還不夠充分，本文主要對半導體性SLMoS2缺陷工程研究進行綜述，引領研究者進一步拓展SLMoS2薄膜新的應用領域。

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