二硫化钼（MoS₂）作为一种二维材料，单层 MoS₂ 是直接带隙半导体，具有约 1.8 eV 的带隙宽度，这使得它在光电器件领域，如太阳能电池、光电探测器和发光二极管等，具有应用潜力。同时，其高强度、高柔韧性等机械性能，也为柔性电子器件的发展提供了新的可能。

一、制备方法概述

在 Si/SiO₂ 衬底上制备晶圆级单层 MoS₂ 的方法主要包括化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）以及一些新兴的辅助方法，如等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等。

1 化学气相沉积（CVD）法

CVD 法是目前制备晶圆级单层 MoS₂ 常用的方法之一。其基本原理是将钼源（如三氧化钼，MoO₃）和硫源（如硫粉，S）在高温下气化，然后通过载气（如氩气，Ar）将气化的反应物输送到放置有 Si/SiO₂ 衬底的反应腔室中。在衬底表面，钼源和硫源发生化学反应，沉积形成 MoS₂ 薄膜。

实验装置与流程

 CVD 实验装置包括管式炉、气体供应系统、真空系统和温度控制系统等。实验时，首先将 Si/SiO₂ 衬底和钼源、硫源分别放置在管式炉内的特定位置。然后，对反应腔室进行抽真空处理，以排除空气中的杂质。接着，通入载气，并按照预设的程序升温，使钼源和硫源气化。在高温下，气化的反应物在衬底表面发生反应，逐渐生长出 MoS₂ 薄膜。生长结束后，关闭加热系统，待反应腔室自然冷却至室温后，取出样品。

优点与局限性

CVD 法的优点在于能够准确控制生长条件，如温度、气体流量、反应时间等，从而获得大面积、高质量的单层 MoS₂ 薄膜。此外，该方法还可以通过调节反应参数，实现对 MoS₂ 薄膜的层数、形貌和晶体结构的有效调控。然而，CVD 法也存在一些局限性，例如设备成本较高、生长过程需要高温条件，可能会对衬底和反应设备造成一定的损伤，并且生长过程中可能会产生一些副产物，影响薄膜的质量。

2 物理气相沉积（PVD）法

PVD 法是利用物理手段，如溅射或蒸发，将钼和硫原子沉积在 Si/SiO₂ 衬底上形成 MoS₂ 薄膜。

溅射沉积

溅射沉积是利用高能离子轰击钼靶材，使靶材表面的原子被溅射出来，然后与通入的硫蒸气在衬底表面反应生成 MoS₂ 薄膜。在溅射过程中，可以通过调节溅射功率、工作气压、硫蒸气流量等参数来控制薄膜的生长速率和质量。

蒸发沉积

蒸发沉积是将钼和硫分别放置在蒸发源中，通过加热使它们气化，然后在衬底表面冷凝沉积形成 MoS₂ 薄膜。可以通过控制蒸发温度、蒸发速率和衬底温度等参数来调节薄膜的成分和结构。

优点与局限性

PVD 法的优点是设备相对简单，操作方便，可以在较低的温度下进行沉积，减少了对衬底的热损伤。然而，PVD 法生长的 MoS₂ 薄膜质量相对较低，通常存在较多的缺陷和杂质，且薄膜的均匀性和结晶性不如 CVD 法。

3 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法

PECVD 法是在 CVD 法的基础上引入等离子体，利用等离子体中的高能粒子来激活反应物，降低反应的活化能，从而在较低的温度下实现 MoS₂ 薄膜的生长。

实验原理与流程

在 PECVD 装置中，通过射频电源在反应腔室中产生等离子体。钼源和硫源在等离子体的作用下被激活，发生化学反应并沉积在 Si/SiO₂ 衬底上。实验流程与 CVD 法类似，但需要准确控制等离子体的参数，如功率、频率、气体流量等，以获得高质量的 MoS₂ 薄膜。

优点与局限性

PECVD 法的优点是能够在较低的温度下生长 MoS₂ 薄膜，减少了对衬底的热损伤，同时等离子体的引入可以提高反应物的活性和薄膜的生长速率。然而，PECVD 法的设备较为复杂，等离子体的产生和控制需要技术，并且等离子体可能会对薄膜表面造成一定的损伤，影响薄膜的质量。

二、均匀制备的关键因素

1 衬底预处理

Si/SiO₂ 衬底的表面状态对 MoS₂ 薄膜的均匀生长起着至关重要的作用。在生长前，需要对衬底进行严格的预处理，以去除表面的杂质和氧化物，提高衬底的表面平整度和清洁度。

清洗步骤

通常采用标准的 RCA 清洗方法，依次使用丙酮、异丙醇和去离子水对衬底进行超声清洗，以去除表面的有机污染物。然后，使用氢氟酸（HF）溶液浸泡衬底，去除表面的氧化层。最后，用去离子水冲洗干净，并用氮气吹干。

表面修饰

为了进一步提高 MoS₂ 薄膜在衬底上的均匀性和附着力，可以对衬底表面进行修饰。例如，可以在衬底表面沉积一层薄的金属氧化物或有机分子层，作为生长的缓冲层。这些缓冲层可以调节衬底表面的化学性质和物理性质，促进 MoS₂ 薄膜的均匀成核和生长。

2 生长参数控制

温度

温度是影响 MoS₂ 薄膜生长的关键因素之一。在 CVD 法中，不同的温度会影响钼源和硫源的气化速率、反应物的扩散速率以及薄膜的结晶性。一般来说，较高的温度有利于提高薄膜的结晶性和生长速率，但过高的温度可能会导致副产物的生成和衬底的热损伤。因此，需要控制生长温度，以获得均匀、高质量的单层 MoS₂ 薄膜。

气体流量

气体流量，包括载气流量、钼源气体流量和硫源气体流量，对薄膜的生长也有重要影响。合适的气体流量可以保证反应物在衬底表面的均匀分布和充分反应。如果气体流量过大，可能会导致反应物在衬底表面来不及反应就被带走，影响薄膜的生长速率和质量；如果气体流量过小，则可能会导致反应物供应不足，使薄膜生长不均匀。

反应时间

反应时间决定了薄膜的厚度和生长完整性。较短的反应时间可能无法形成完整的单层 MoS₂ 薄膜，而较长的反应时间则可能导致薄膜层数的增加和多晶结构的形成。因此，需要根据所需的薄膜厚度和性能，控制反应时间。

3 气氛环境

真空度

在生长过程中，保持反应腔室的高真空度可以减少空气中的杂质对薄膜生长的干扰，提高薄膜的纯度和质量。高真空环境还可以促进反应物的扩散和反应，有利于薄膜的均匀生长。

气体纯度

使用的载气、钼源气体和硫源气体的纯度对薄膜的质量也有重要影响。杂质气体的存在可能会引入额外的杂质元素，影响薄膜的电学和光学性能。因此，需要使用高纯度的气体，并在气体供应系统中设置过滤和净化装置。

三、均匀性表征方法

1 光学显微镜观察

光学显微镜是一种简单直观的表征方法，可以初步观察 MoS₂ 薄膜在 Si/SiO₂ 衬底上的宏观均匀性。通过调节显微镜的放大倍数和照明条件，可以观察到薄膜的颜色、形貌和覆盖情况。均匀的单层 MoS₂ 薄膜在光学显微镜下通常呈现出均匀的颜色和光滑的表面。

2 原子力显微镜（AFM）表征

AFM 可以提供薄膜表面的三维形貌信息，能够准确测量薄膜的厚度、粗糙度和表面形貌。通过 AFM 图像，可以直观地观察到薄膜的均匀性，包括薄膜的厚度是否一致、表面是否存在缺陷和颗粒等。同时，AFM 还可以测量薄膜的力学性能，如弹性模量和摩擦力等。

3 拉曼光谱分析

拉曼光谱是一种非破坏性的表征技术，可以用于分析 MoS₂ 薄膜的晶体结构和层数。单层 MoS₂ 具有拉曼光谱特征峰，如 E₂g¹ 峰和 A₁g 峰，其峰位和强度可以反映薄膜的层数和结晶性。通过拉曼光谱 mapping 技术，可以对薄膜的不同区域进行扫描，获得拉曼光谱的空间分布信息，从而评估薄膜的均匀性。

4 透射电子显微镜（TEM）表征

TEM 可以提供薄膜的微观结构信息，包括晶体结构、缺陷结构和界面结构等。通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM），可以直接观察到单层 MoS₂ 的原子排列结构，验证薄膜的层数和结晶性。同时，TEM 还可以结合能量色散 X 射线光谱（EDX）等技术，分析薄膜的元素组成和分布情况，进一步评估薄膜的均匀性。

晶圆级单层二硫化钼在 Si/SiO₂ 衬底上的均匀制备是二维材料研究领域的重要方向。通过选择合适的制备方法，准确控制生长参数和气氛环境，以及对衬底进行预处理和表面修饰，可以实现单层 MoS₂ 薄膜在 Si/SiO₂ 衬底上的均匀生长。同时，利用多种表征方法可以对薄膜的均匀性进行全面评估。