MoS₂ 作为一种二维过渡金属硫化物，具有直接带隙半导体特性，其单层形式展现出与体材料截然不同的物理化学性质。蓝宝石衬底的引入为 MoS₂ 的高质量生长提供了可能，同时也为实现 MoS₂ 器件的高性能化和集成化奠定了基础。然而，要在蓝宝石衬底上实现 MoS₂ 薄膜的可控生长，并优化其性能，需要深入理解其生长机制，并开发有效的调控策略。

MoS₂ 薄膜的性能调控策略

（一）掺杂与缺陷工程

1.元素掺杂

氮掺杂：氮掺杂可以提高 MoS₂ 的载流子浓度，增强其电学性能。通过在生长过程中引入少量的氮气，氮原子可以替代 MoS₂ 晶格中的硫原子，形成施主能级，从而增加电子的浓度。例如，在蓝宝石衬底上生长的氮掺杂 MoS₂ 薄膜，其电导率比未掺杂的薄膜提高了数倍，适用于高性能场效应晶体管（FET）的应用。

硼掺杂：硼掺杂则可以改变 MoS₂ 的带隙结构，优化其光学性能。硼原子替代钼原子后，会在价带中引入受主能级，从而改变 MoS₂ 的电子结构。研究表明，硼掺杂的 MoS₂ 薄膜在光吸收和光发射方面表现出良好的性能，适用于光探测器和发光二极管（LED）等领域。

磷掺杂：磷掺杂可以进一步调节 MoS₂ 的电学性能。磷原子替代硫原子后，会在导带中引入施主能级，增加电子的浓度。通过准确控制磷的掺杂浓度，可以实现对 MoS₂ 薄膜电学性能的精细调控，适用于高性能传感器和逻辑电路的应用。

2.缺陷控制

缺陷的减少：缺陷在 MoS₂ 薄膜中是不可避免的，但过多的缺陷会严重影响其性能。通过优化生长条件，如控制生长温度、源材料纯度等，可以减少缺陷的产生。例如，在较低的生长温度下，源材料的分解速率较慢，可以减少杂质的引入，从而降低缺陷密度。

缺陷的修复：后处理技术，如退火、氢气处理等，可以对 MoS₂ 中的缺陷进行修复。例如，在氢气氛围中进行退火处理，可以去除 MoS₂ 中的硫空位等缺陷，提高薄膜的结晶质量和电学性能。

3.缺陷工程

纳米孔结构：通过设计特定的缺陷结构，如纳米孔，可以增加 MoS₂ 的比表面积，提高其催化性能。例如，在 MoS₂ 薄膜中引入纳米孔结构后，其在氢气进化反应（HER）中的催化性能提高，适用于能源存储领域的应用。

层错结构：层错结构可以改变 MoS₂ 的电子结构，优化其电学性能。通过控制生长条件，如生长速率和源材料供应量，可以引入适量的层错结构，从而实现对 MoS₂ 薄膜性能的有效调控。

（二）界面工程

1.衬底修饰

缓冲层的引入：在蓝宝石衬底表面引入缓冲层可以改善 MoS₂ 与衬底之间的界面特性。例如，通过在衬底表面生长一层薄的氧化铝缓冲层，可以减小 MoS₂ 与衬底之间的晶格失配，提高薄膜的结晶质量。同时，缓冲层还可以调控 MoS₂ 的生长方向和取向，进一步优化薄膜的性能。

中间层的应用：中间层的引入可以进一步优化 MoS₂ 与衬底之间的界面相互作用。例如，在衬底表面引入一层金属中间层，如金（Au）或铂（Pt），可以作为催化剂促进 MoS₂ 的生长，并且通过金属与 MoS₂ 之间的相互作用，调控 MoS₂ 的电子结构和性能。

2.界面调控

界面相互作用的优化：通过控制 MoS₂ 与衬底之间的界面相互作用，可以实现对 MoS₂ 性能的有效调控。例如，通过调整衬底的表面能和化学性质，可以改变 MoS₂ 的成核和生长行为，从而优化薄膜的微观结构和性能。

界面稳定性的提高：在实际应用中，MoS₂ 薄膜需要在不同的环境条件下保持稳定的性能。通过优化界面工程，可以提高 MoS₂ 薄膜的界面稳定性，减少环境因素对薄膜性能的影响。例如，通过在 MoS₂ 表面引入一层保护层，可以防止薄膜在空气中氧化，提高其长期稳定性。

3.界面修饰

表面活性剂的应用：表面活性剂可以改变衬底的表面性质，促进 MoS₂ 的均匀生长。例如，在生长过程中加入适量的表面活性剂，可以降低 MoS₂ 在衬底表面的成核能垒，从而实现大面积均匀薄膜的生长。

自组装单分子层（SAM）的引入：通过在衬底表面引入自组装单分子层，可以进一步调控 MoS₂ 与衬底之间的界面相互作用。例如，通过引入含有特定官能团的 SAM，可以改变 MoS₂ 的表面能和化学性质，从而优化其性能。

（三）后处理技术

1.退火处理

氢气退火：氢气退火是一种常用的后处理技术，通过在适当的温度下对 MoS₂ 薄膜进行氢气退火，可以修复薄膜中的缺陷，提高其结晶质量。例如，在氢气氛围中进行退火处理，可以去除 MoS₂ 中的硫空位等缺陷，提高薄膜的电学性能。

真空退火：真空退火可以减少薄膜中的杂质和缺陷，提高其结晶质量。通过在高真空条件下进行退火处理，可以进一步优化 MoS₂ 薄膜的性能。

2.化学处理

化学还原：通过化学还原方法可以去除 MoS₂ 表面的氧化层，提高其表面活性。例如，通过使用化学还原剂，如氢气或硼氢化钠，可以将 MoS₂ 表面的氧化物还原为硫化物，从而提高其电学性能。

化学氧化：通过化学氧化方法可以引入特定的官能团，调控 MoS₂ 的表面性质。例如，通过使用化学氧化剂，如过氧化氢或臭氧，可以在 MoS₂ 表面引入羟基或羧基等官能团，从而优化其性能。

3.物理处理

离子注入：离子注入是一种有效的掺杂技术，通过将掺杂元素的离子注入到 MoS₂ 薄膜中，可以实现对薄膜性能的有效调控。例如，通过离子注入可以引入氮、硼等元素，从而改变 MoS₂ 的电学和光学性能。

等离子体处理：等离子体处理可以改变 MoS₂ 的表面结构和化学性质，优化其性能。例如，通过等离子体处理可以引入特定的官能团，调控 MoS₂ 的表面能和化学性质，从而提高其电学和光学性能。

MoS₂ 薄膜的性能优化

（一）电学性能优化

1.载流子迁移率的提高

高质量薄膜的生长：通过优化生长条件，如控制生长温度、源材料纯度等，可以实现高质量的 MoS₂ 薄膜生长，从而提高载流子迁移率。例如，在较低的生长温度下，源材料的分解速率较慢，可以减少杂质的引入，从而提高薄膜的结晶质量。

掺杂与缺陷工程的应用：通过掺杂和缺陷工程，可以进一步提高载流子迁移率。例如，氮掺杂可以增加电子的浓度，从而提高载流子迁移率；而缺陷的减少和修复可以减少散射中心，进一步提高载流子迁移率。

2.开关比的优化

高质量薄膜的生长：高质量的 MoS₂ 薄膜可以减少漏电流，从而提高开关比。通过优化生长条件，可以实现高质量的薄膜生长，从而提高开关比。

界面工程的应用：通过优化界面工程，可以进一步提高开关比。例如，通过在 MoS₂ 与电极之间引入一层薄的氧化铝缓冲层，可以改善界面接触，降低接触电阻，从而提高开关比。

3.阈值电压的调控

掺杂的应用：通过掺杂可以调控 MoS₂ 的阈值电压。例如，氮掺杂可以增加电子的浓度，从而降低阈值电压；而硼掺杂则可以增加空穴的浓度，从而提高阈值电压。

界面工程的应用：通过优化界面工程，可以进一步调控阈值电压。例如，通过在 MoS₂ 与电极之间引入一层薄的氧化铝缓冲层，可以改善界面接触，从而调控阈值电压。

（二）光学性能优化

1.光吸收性能的提高

高质量薄膜的生长：高质量的 MoS₂ 薄膜可以提高光吸收性能。通过优化生长条件，可以实现高质量的薄膜生长，从而提高光吸收性能。

掺杂与缺陷工程的应用：通过掺杂和缺陷工程，可以进一步提高光吸收性能。例如，硼掺杂可以改变 MoS₂ 的带隙结构，优化其光吸收性能；而纳米孔结构的引入可以增加 MoS₂ 的比表面积，从而提高光吸收性能。

2.光发射性能的优化

高质量薄膜的生长：高质量的 MoS₂ 薄膜可以提高光发射性能。通过优化生长条件，可以实现高质量的薄膜生长，从而提高光发射性能。

掺杂与缺陷工程的应用：通过掺杂和缺陷工程，可以进一步优化光发射性能。例如，硼掺杂可以改变 MoS₂ 的带隙结构，优化其光发射性能；而层错结构的引入可以改变 MoS₂ 的电子结构，从而优化其光发射性能。

3.光响应速度的提高

高质量薄膜的生长：高质量的 MoS₂ 薄膜可以提高光响应速度。通过优化生长条件，可以实现高质量的薄膜生长，从而提高光响应速度。

界面工程的应用：通过优化界面工程，可以进一步提高光响应速度。例如，通过在 MoS₂ 与电极之间引入一层薄的氧化铝缓冲层，可以改善界面接触，降低接触电阻，从而提高光响应速度。