二维半导体发展的关键——纳米尺度信息多维度表征 | 光谱技术头条

摘要

本文介绍了未来纳米电子和光电子器件的高潜力半导体材料的二维过渡金属硫化物（TMDCs）材料的纳米表征。原子力显微镜（AFM）与拉曼光谱相结合，利用针尖增强拉曼（TERS）和增强荧光（TEPL）技术，获得纳米尺度下的相关电学和化学信息。

背景介绍

二维材料是单胞层组成的晶体材料。在大量潜在的稳定二维材料（超过700种）中，石墨烯和TMDCs作为未来纳米电子器件的构建材料，其研究受到广泛关注。单层TMDCs是可调谐带隙半导体，是对石墨烯的补充。可以预见纳米电子学的各种应用，范围覆盖晶体管、光电探测器，以及能源领域（纳米发电机、绿色电子学、电催化制氢和储能）等。在以实际纳米器件的形式实现2D材料的前景之前，还有许多挑战，例如：（i）理解这些晶体的生长机理，以便能够制造无缺陷的大面积晶片；（ii）控制从基底生长到另一表面基底的转移过程；（iii）控制其纵向或横向整合。这都需要一种信息丰富的纳米级表征技术来鉴定这些材料，并拓展其基于二维材料的应用。

一方面，拉曼光谱和光致发光光谱是表征单层晶体材料电子行为（带隙、载流子浓度）和结构质量（缺陷位置和密度）的首 选技术；另一方面，原子力显微镜（AFM）已经成为纳米材料发展的一个关键工具，它不仅能提供原子分辨率的形貌图像，还能探测物质表面的物理（电、磁、力等）特性。但Raman/PL和AFM都有其局限性：（1）由于传统的Raman是一种远场光学技术（光斑大小受衍射限制），其应用局限于微观和宏观世界；（2）AFM只提供物理信息图像。等离激元增强光学光谱（TEPL: 针尖增强荧光，TERS: 针尖增强拉曼光谱）为纳米拉曼光谱仪搭起桥梁，提供纳米级光学空间分辨率。

此外，这些新的光谱技术与AFM模式相结合用于2D材料多维度分析[1，5]，为2D材料的化学、光电、形貌和电学特性的表征开辟了新的方向。

实验图文导读

等离激元增强光谱（TEPL和TERS）是基于拉曼激光聚焦在AFM贵金属涂层针尖下纳米区域的信号放大。

本文报道的成果来自HORIBA纳米拉曼系统：XploRA Nano或LabRAM Nano。他们由市场上最 受欢 迎的紧凑型或高端共焦拉曼光谱仪分别与我们的OmegaScope原子力显微镜耦合，通过光电耦合单元，拉曼激光精 准聚焦在原子力显微镜针尖顶端，拉曼信号通过拉曼/荧光光谱仪收集。本文介绍了用HORIBA NANO Raman从在SiO2/Si上的WS2晶片以及转移到银模板上的WS2晶片的TERS和TEPL研究成果，同时还展示了SiO2/Si上WS2/WSxSe1-x/WSe2异质结的研究结果。

HORIBA XploRA Nano

HORIBA LabRAM Nano