等离子清洗技术在二维材料的转化和掺杂中的应用-Plasma

二维(2D)材料具有优异的电学、力学、热学和光学性能,近年来成为一个重要的研究领域。石墨烯、硅烯、锗烯、磷烯、六方氮化硼(hBN)以及MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、ReSe2和InSe2等TMDCs多种二维材料已被成功合成并表征。研究表明,二维材料的性能与生长和生长后修饰(如功能化、掺杂和蚀刻)过程密切相关。因此,先进的合成和加工技术为实现理想的定制性能开辟了新的维度,这将加速这些材料在各种应用中的实现。

等离子体是物质的第四种状态,包括在低压或常压下产生的电子、离子、中性、激子、自由基和受激分子等多种物质。这些等离子体比基态原子或分子的反应性更强,因此在以节能和成本效益的方式合成和修饰纳米材料方面显示出巨大的潜力。

等离子体也为处理二维材料提供了机会,这远远超出了新型纳米材料结构的发展。等离子体辅助修饰是通用的,包括化学功能化、杂原子掺杂、带隙调谐、蚀刻和表面润湿性控制。由于等离子体中存在的独特物质,这些过程成为可能,这些物质促进了通过传统的热处理或溶液处理不容易实现的反应。此外,等离子体修饰可以就地实现,即在纳米材料合成过程中,或非原位,即通过合成后的程序。因此,等离子体是一种简单、有效、适应性广泛的技术,可以修改和改善二维材料的结构和性能,从而更好地满足现代工业的要求。

等离子体清洗是将二维材料表面处理转化或者掺杂形成需要的材料的方式之一。等离子体是一种物质状态,通过高压电源在特定压力环境下向气体施加充分能量形成。这种状态包括高速移动的电子、激活的中性原子和分子、自由基以及离子化的原子和分子,还有未反应的原子和分子,尽管这些组成部分具有各种电荷,整体上物质保持电中性。等离子清洗设备原理图如图1所示。

使用等离子体清洗主要对二维材料的转化和掺杂有如下作用:

(一)在物理反应中,等离子体内的多种活性粒子,如离子、激发态分子和自由基,通过纯物理撞击作用移除或改变材料表面的原子,产生刻蚀作用,提升材料的表面粗糙度,增大氧空位密度或掺杂需要的气体杂质离子。

从氧空位的角度来看,氧空位不仅能够提高材料的导电性,还能降低杂原子进入晶格所需的能量,从而促进阴离子掺杂。研究表明,等离子体处理不仅会导致氧空位的形成,还能够直接促进杂质掺杂的过程。杂原子嵌入晶格后会影响材料的费米能级和局部电子密度分布,这种变化往往与多个缺陷共同作用,使得材料的综合性能显著提升。

(二)在化学反应过程中,常用的气体如H2、O2、CF4和NH3在等离子清洗设备内被转化为高活性的自由基,进而在材料表面引发化学变化。

等离子清洗作为一种在二维层状材料性能改性研究中普遍使用的技术,通过调节射频功率、反应气体类型及处理时长等参数,可对二维材料的性能进行有效调节。与传统的蚀刻和烧结方法相比,等离子体技术在材料改性方面具有更显著的修饰效果。