MoS₂作为一种具有独特层状结构的二维材料，其单层厚度约为 0.65 nm，展现出良好的半导体特性、高载流子迁移率以及良好的光吸收性能。这些特性使其在高性能电子器件、高效光电器件和高灵敏度传感器等领域具有应用前景。然而，要充分发挥 MoS₂的潜力，实现高质量、大面积、单晶 MoS₂薄膜的生长以及对其性能的有效调控是关键。Si/SiO₂衬底因其良好的绝缘性和与现有半导体工艺的兼容性，成为 MoS₂薄膜生长的衬底之一。

MoS₂单晶薄膜的生长机制

（一）化学气相沉积（CVD）法

化学气相沉积法是目前制备 MoS₂单晶薄膜的主要方法之一。其基本原理是利用含钼和硫的前驱体气体在高温下发生化学反应，在 Si/SiO₂衬底表面沉积形成 MoS₂薄膜。在 CVD 过程中，前驱体的选择至关重要。常用的含钼前驱体有三氧化钼（MoO₃）、二茂钼（Mo(C₅H₅)₂）等，含硫前驱体则有硫粉（S）、硫化氢（H₂S）等。通过控制前驱体的流量、反应温度、反应时间和衬底温度等参数，可以实现 MoS₂单晶薄膜的生长。

在生长过程中，前驱体气体首先在反应室内扩散至衬底表面，然后在衬底表面发生化学反应，生成 MoS₂薄膜。前驱体分子具有足够的能量克服反应能垒，发生化学反应。衬底温度对薄膜的生长取向和质量也有重要影响，通过调整衬底温度可以实现对 MoS₂薄膜结晶质量的调控。

（二）分子束外延（MBE）法

分子束外延法是一种高精度的薄膜生长技术，也可用于 Si/SiO₂衬底上 MoS₂单晶薄膜的生长。与 CVD 法相比，MBE 法具有更高的生长温度控制精度和更低的生长环境压力，能够实现原子级精度的薄膜生长。在 MBE 过程中，钼和硫的源材料分别被加热至蒸发，形成分子束，然后在衬底表面沉积形成 MoS₂薄膜。

MBE 法的关键在于准确控制钼和硫的蒸发速率以及衬底温度。通过调节源材料的加热温度和衬底温度，可以实现对 MoS₂薄膜生长速率和结晶质量的准确调控。此外，MBE 法还可以在超高真空环境下进行，有效避免了杂质的污染，从而生长出高质量、高纯度的 MoS₂单晶薄膜。然而，MBE 法的设备成本较高，生长速度相对较慢，限制了其大规模应用。

（三）外延生长机制

在 Si/SiO₂衬底上生长 MoS₂单晶薄膜时，外延生长机制起着关键作用。外延生长是指在衬底上生长的薄膜与衬底具有相同的晶体取向，这种生长方式能够保证薄膜具有良好的结晶质量和电学性能。在 MoS₂单晶薄膜的生长过程中，MoS₂分子在 Si/SiO₂衬底表面的吸附、扩散和成核是外延生长的关键步骤。

首先，MoS₂分子在衬底表面吸附，形成吸附层。然后，吸附层中的 MoS₂分子在衬底表面扩散，寻找合适的成核位点。在合适的衬底温度和前驱体浓度下，MoS₂分子在成核位点处聚集，形成晶核。随着晶核的不断长大，最终形成连续的 MoS₂单晶薄膜。衬底的表面结构和化学性质对 MoS₂分子的吸附和扩散行为有重要影响，从而影响外延生长的质量。

MoS₂单晶薄膜的调控方法

（一）生长参数调控

1.温度调控

生长温度是影响 MoS₂单晶薄膜质量的关键参数之一。通过准确控制生长温度，可以实现对 MoS₂薄膜结晶质量、厚度和层数的调控。在较低的生长温度下，MoS₂分子的扩散能力较弱，容易在衬底表面形成多晶结构，薄膜的结晶质量较差。随着生长温度的升高，MoS₂分子的扩散能力增强，有利于形成高质量的单晶薄膜。然而，过高的生长温度可能导致前驱体分解不完全或衬底表面的热损伤，影响薄膜的质量。因此，需要根据具体的生长方法和前驱体选择合适的生长温度范围。

2.前驱体流量调控

前驱体流量直接决定了 MoS₂薄膜的生长速率和厚度。在 CVD 法中，通过调节含钼和硫的前驱体气体流量，可以准确控制 MoS₂薄膜的生长速率。较高的前驱体流量会增加 MoS₂分子在衬底表面的沉积速率，从而生长出较厚的薄膜；而较低的前驱体流量则会导致生长速率降低，生长出较薄的薄膜。此外，前驱体流量的均匀性也对薄膜的质量有重要影响。不均匀的前驱体流量可能导致薄膜厚度不均匀，影响器件的性能。因此，在生长过程中需要准确控制前驱体流量的均匀性，确保薄膜的均匀生长。

3.生长时间调控

生长时间是决定 MoS₂薄膜厚度的另一个重要因素。在一定的生长速率下，生长时间越长，生长出的 MoS₂薄膜越厚。通过准确控制生长时间，可以实现对 MoS₂薄膜厚度的准确调控。在实际应用中，根据不同的器件需求，可以生长出从单层到多层不同厚度的 MoS₂薄膜。

（二）掺杂与缺陷调控

1.元素掺杂

通过在 MoS₂薄膜中掺杂特定的元素，可以调节其电学、光学和化学性质，从而满足不同的应用需求。常见的掺杂元素包括金属元素（如铝、钛等）和非金属元素（如氮、硼等）。金属元素掺杂可以调节 MoS₂薄膜的载流子浓度和电导率，提高其在电子器件中的性能。

2.缺陷调控

MoS₂薄膜中的缺陷对其性能也有重要影响。通过调控生长条件和后处理工艺，可以实现对 MoS₂薄膜中缺陷的引入和修复。

（三）衬底与界面调控

1.衬底选择与处理

衬底的表面结构和化学性质对 MoS₂单晶薄膜的生长质量有重要影响。在 Si/SiO₂衬底上生长 MoS₂薄膜时，SiO₂层的厚度和表面粗糙度需要进行准确控制。较薄的 SiO₂层可以提供更好的衬底与薄膜之间的相互作用，有利于 MoS₂薄膜的外延生长；而较厚的 SiO₂层则可以减少衬底对薄膜生长的影响，提高薄膜的质量。此外，衬底表面的清洁度和化学活性也对 MoS₂薄膜的生长有重要影响。在生长前，需要对 Si/SiO₂衬底进行严格的清洗和表面处理，去除表面的杂质和氧化层，提高衬底表面的化学活性，为 MoS₂薄膜的生长提供良好的表面环境。

2.界面工程

MoS₂薄膜与衬底之间的界面质量对其性能也有重要影响。通过界面工程，可以改善 MoS₂薄膜与衬底之间的相互作用，提高薄膜的质量和性能。例如，在 Si/SiO₂衬底表面预先生长一层薄的缓冲层，如氮化物或氧化物，可以调节衬底与 MoS₂薄膜之间的晶格失配和热膨胀系数差异，减少界面应力，提高 MoS₂薄膜的结晶质量。此外，通过在界面处引入特定的化学元素或分子，可以调节界面的电学性质和化学活性，从而改善 MoS₂薄膜的性能。

Si/SiO₂衬底上 MoS₂单晶薄膜的生长与调控是当前二维材料研究领域的热点之一。通过化学气相沉积法、分子束外延法等生长方法，结合准确的生长参数调控、掺杂与缺陷调控以及衬底与界面调控，可以实现高质量、大面积、单晶 MoS₂薄膜的生长，并对其性能进行调控。MoS₂单晶薄膜在电子器件、光电器件和传感器等领域展现出应用前景，有望为现代科技的发展带来新的突破和机遇。