基于低能电子的扫描探针刻蚀以及器件制备

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纳米科技的进步很大程度上依赖于纳米结构制造的能力。许多结构如纳米粒子、纳米线以及部分二维材料如石墨烯、二硫化钼等都在尝试能够在纳米电子、光子学、生物学上得到应用。尤其是新型二维材料例如二硫化钼由于其新奇的光学以及电学性质使得其在器件应用上受到越来越高的重视。因此,在二维材料上进行纳米加工进而研究其在更低维度上的性能意义非凡。本论文主要通过两种途径来实现微纳加工进而取得更低维的MoS2纳米条带阵列。第一种是以有机小分子膜作为掩膜版实现微纳加工,进而将刻蚀图案转移至衬底之上。第二种是不需要掩膜版直接使用原子力显微镜对MoS2进行刻蚀,从而得到一维的MoS2条带并对其进行性能测试。主要研究成果和结论如下:  (1)使用有机杯芳烃小分子膜4M1AC6(4-甲基-1-乙酰氧基杯[6]芳烃)作为光刻胶掩膜版来进行刻蚀。成功制备出厚度为10nm,表面粗糙度小于1nm的有机分子薄膜。搭建了一套基于电流控制的低能电子场发射刻蚀系统,并利用此系统在大气环境下对有机小分子薄膜进行成功刻蚀,得到一系列的有序纳米条带阵列,并进一步利用低温反应离子刻蚀技术把刻蚀图形转移到小分子薄膜下面的硅基底上,得到了与小分子膜上无差别的图形。  (2)使用原子力显微镜直写加工技术对单层MoS2进行刻蚀。分别探究了施加不同电压和探针不同运行刻蚀速度对结果的影响,最后基于优化后的刻蚀参数成功获得宽度从200nm至10nm不等的MoS2纳米条带。对刻蚀后的区域进行KPFM表征,发现刻蚀后的结构表面电势有所提高。进一步使用XPS技术对条带进行了成分分析,发现刻蚀后的条带成分不再是单一的MoS2而是部分变成了钼氧化物。综合以上实验结果,认为在刻蚀的过程中部分MoS2发生了氧化反应变成了钼的氧化物。  (3)同时也对形成的不同宽度的MoS2条带进行了PL表征,发现随着条带宽度不同PL峰位出现位移。对刻蚀后的区域进行拉曼表征,发现没有明显变化,表明刻蚀过程未对MoS2产生明显应力。进一步对刻蚀的MoS2纳米条带进行了低温PL表征,推断峰位红移可能由于缺陷发光产生的影响,而蓝移的原因则可能归于尺寸效应、三子发光、晶界结构等。对不同纳米条带宽度的荧光强度进行统计,发现MoS2纳米条带在一定宽度范围内荧光效率有所提高。
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