二维过渡金属硫族化合物因其电子结构良好的物理化学性质，成为了材料科学和凝聚态物理领域的研究热点。其中，二硫化钼（MoS₂）作为一种典型的二维材料，具有层状结构，单层MoS₂是直接带隙半导体，在光电器件、传感器、场效应晶体管等众多领域展现出应用潜力。而Si/SiO₂衬底作为半导体工业中使用的基底材料，具有良好的绝缘性、稳定性和成熟的加工工艺，为MoS₂的生长和应用提供平台。通过在Si/SiO₂衬底上对MoS₂进行定制化掺杂与性能调控，可以进一步优化其性能，满足不同应用场景的需求，推动相关领域的技术创新和发展。

Si/SiO₂衬底上MoS₂的生长与特性

生长方法

在Si/SiO₂衬底上生长MoS₂主要有化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和机械剥离等方法。CVD法是目前应用广的方法之一，它通过将钼源（如三氧化钼）和硫源（如硫粉）在高温下气化，然后在Si/SiO₂衬底表面发生化学反应，沉积形成MoS₂薄膜。这种方法可以控制生长条件，如温度、气体流量、反应时间等，从而获得大面积、高质量的MoS₂薄膜。PVD法则利用物理手段，如溅射或蒸发，将钼和硫原子沉积在衬底上形成MoS₂，该方法设备简单，但生长的MoS₂质量相对较低。机械剥离法是通过胶带反复粘贴和剥离块体MoS₂，得到单层或多层MoS₂薄片，再将其转移到Si/SiO₂衬底上，该方法操作简单，但得到的薄片尺寸和位置难以控制。

基本特性

Si/SiO₂衬底上的MoS₂具有电子结构和光学性质。单层MoS₂是直接带隙半导体，带隙宽度约为1.8 eV，具有较高的光吸收系数和荧光量子产率，在光电器件中表现出良好的光电转换性能。多层MoS₂则表现出间接带隙半导体的特性，其带隙宽度随层数的增加而减小。此外，MoS₂还具有良好的机械性能，如高强度和高柔韧性，使其在柔性电子器件领域具有应用前景。然而，天然的MoS₂在某些性能方面还存在一定的局限性，如载流子迁移率较低、导电性较差等，需要通过掺杂等手段进行性能调控。

定制化掺杂的原理与方法

掺杂原理

掺杂是通过向MoS₂中引入其他原子或分子，改变其电子结构和晶格结构，从而调控其物理化学性质的方法。根据掺杂原子的类型，可分为n型掺杂和p型掺杂。n型掺杂是指引入电子供体原子，增加材料中的自由电子浓度，提高材料的导电性；p型掺杂则是引入电子受体原子，增加材料中的空穴浓度，同样可以改善材料的电学性能。此外，掺杂还可以改变MoS₂的能带结构，调节其光学性质和磁学性质。

掺杂方法

1 化学掺杂法

溶液法：将MoS₂样品浸泡在含有掺杂剂的溶液中，通过化学反应使掺杂剂原子或分子吸附在MoS₂表面或嵌入其晶格中。例如，将MoS₂薄膜浸泡在含有硝酸银（AgNO₃）的溶液中，银离子（Ag⁺）可以被还原为银原子（Ag）并掺杂到MoS₂中，实现n型掺杂。溶液法操作简单，但掺杂均匀性和掺杂浓度较难控制。

气相掺杂法：在高温或等离子体环境下，将掺杂剂气体引入到MoS₂生长或处理系统中，使掺杂剂原子与MoS₂发生反应，实现掺杂。例如，在CVD生长MoS₂的过程中，通入含有氮气（N₂）和氨气（NH₃）的混合气体，可以实现氮掺杂，调节MoS₂的电学性能。气相掺杂法可以实现大面积均匀掺杂，但对设备要求较高。

2 物理掺杂法

离子注入法：利用高能离子束将掺杂剂离子注入到MoS₂薄膜中，通过控制离子束的能量、剂量和注入角度等参数，实现掺杂。离子注入法可以在MoS₂的特定深度和位置进行掺杂，但离子注入过程可能会对MoS₂的晶格结构造成损伤，需要进行后续的退火处理来修复损伤。

等离子体浸没离子注入法：将MoS₂样品浸没在等离子体中，通过施加负偏压使等离子体中的离子加速注入到样品表面，实现掺杂。该方法具有掺杂效率高、均匀性好等优点，且可以实现对复杂形状样品的掺杂。

掺杂对MoS₂性能的调控

1 电学性能调控

通过定制化掺杂可以改善Si/SiO₂衬底上MoS₂的电学性能。例如，采用氮掺杂可以增加MoS₂中的自由电子浓度，提高其载流子迁移率和导电性，使其在场效应晶体管中表现出更好的开关特性和更高的工作频率。

2 光学性能调控

掺杂对MoS₂的光学性能也有重要影响。不同类型和浓度的掺杂可以改变MoS₂的能带结构，从而调节其光吸收和发光特性。例如，引入锰（Mn）等磁性元素进行掺杂，可以使MoS₂产生新的光学跃迁，拓宽其光吸收范围，提高其在太阳能电池中的应用潜力。同时，掺杂还可以增强MoS₂的荧光强度，改善其发光效率，在光电器件和生物成像等领域具有重要应用价值。

3 磁学性能调控

通过引入磁性掺杂剂，如铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）等，可以赋予Si/SiO₂衬底上的MoS₂磁性，使其成为一种二维磁性材料。磁性掺杂的MoS₂在自旋电子学领域具有应用前景，可用于制造自旋阀、磁性传感器等器件。研究表明，铁掺杂的MoS₂在低温下表现出铁磁性，其居里温度可以通过调节掺杂浓度和层数进行调控。

Si/SiO₂衬底二硫化钼的定制化掺杂与性能调控是二维材料研究领域的重要方向。通过选择合适的掺杂方法和掺杂剂，可以调控MoS₂的电学、光学和磁学等性能，满足不同应用场景的需求。