分子束外延構(gòu)筑二維材料及量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究與進展一、引言1.1研究背景與意義隨著科技的飛速發(fā)展，材料科學領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出新型材料，其中二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)因其獨特的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價值，成為了研究的熱點。二維材料，如石墨烯、過渡金屬二硫化物（TMDs）、六方氮化硼（h-BN）等，是僅由一層或幾層原子構(gòu)成的材料，其原子級的厚度賦予了它們諸多優(yōu)異的特性。在電學方面，以石墨烯為例，它具有超高的載流子遷移率，可達200000cm2/（V?s）以上，這一特性使其在高速電子器件中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，有望大幅提升電子器件的運行速度。在光學方面，TMDs材料如MoS?、WS?等，在二維極限下呈現(xiàn)出直接帶隙，且具有顯著的光致發(fā)光特性，使其在光發(fā)射二極管、光電探測器等光電器件中具有重要的應(yīng)用前景。量子點則是一種準零維的納米材料，其尺寸通常在1-100nm之間。由于量子限域效應(yīng)，量子點具有獨特的光學和電學性質(zhì)。與傳統(tǒng)的體材料相比，量子點的能級是分立的，這使得它們的發(fā)光波長可以通過改變尺寸進行精確調(diào)控。例如，通過精確控制量子點的生長條件，可以制備出在可見光到近紅外光范圍內(nèi)任意發(fā)光波長的量子點。這種精確的波長可調(diào)控性，使得量子點在顯示技術(shù)領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢，有望實現(xiàn)更加鮮艷、高分辨率的顯示效果。同時，量子點還具有較高的熒光量子產(chǎn)率，部分量子點的熒光量子產(chǎn)率可達到90%以上，這使得它們在生物熒光標記、單光子源等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。當將量子點與二維材料結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，兩者的優(yōu)勢得以互補，展現(xiàn)出更為卓越的性能。在光電器件應(yīng)用中，量子點可以有效地吸收和利用光，彌補二維材料光吸收能力的不足。以基于量子點/二維材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器為例，量子點的高吸光特性可以增強對光的捕獲能力，從而提高探測器的響應(yīng)度；而二維材料則可以提供高效的電荷傳輸通道，解決量子點中電荷遷移率低的問題，促進電荷的快速分離和轉(zhuǎn)移，進而提升探測器的響應(yīng)速度。這種優(yōu)勢互補的特性，使得量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)在高性能光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，有望推動光電器件向更高性能、更低功耗的方向發(fā)展。在未來電子學領(lǐng)域，二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)也具有重要的應(yīng)用前景。隨著摩爾定律逐漸逼近極限，傳統(tǒng)的硅基半導體器件面臨著尺寸縮小帶來的諸多挑戰(zhàn)，如短溝道效應(yīng)、功耗增加等。二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于其獨特的物理性質(zhì)，為解決這些問題提供了新的途徑。二維材料的原子級厚度可以有效抑制短溝道效應(yīng)，提高器件的性能和穩(wěn)定性；量子點的量子限域效應(yīng)則可以實現(xiàn)單電子操控，為單電子晶體管、量子比特等新型量子器件的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。通過合理設(shè)計和制備二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)建出高性能、低功耗的新型電子器件，為未來電子學的發(fā)展開辟新的道路。分子束外延（MBE）技術(shù)作為一種先進的薄膜生長技術(shù)，在二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。MBE技術(shù)是在超高真空條件下，將原子或分子束蒸發(fā)到基底表面，通過精確控制原子或分子的沉積速率和基底溫度等參數(shù)，實現(xiàn)薄膜的原子級精確生長。這種技術(shù)具有高純度、高精度、高質(zhì)量等優(yōu)點，可以精確控制薄膜的厚度、成分和結(jié)構(gòu)，從而制備出高質(zhì)量的二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)。與其他制備技術(shù)相比，如化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）等，MBE技術(shù)在原子級精度控制方面具有獨特的優(yōu)勢。在制備二維材料時，MBE技術(shù)可以精確控制二維材料的層數(shù)和生長取向，避免了其他技術(shù)可能引入的雜質(zhì)和缺陷，從而保證了二維材料的高質(zhì)量和高性能。在制備量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，MBE技術(shù)可以精確控制量子點的尺寸、密度和分布，實現(xiàn)量子點與二維材料之間的完美結(jié)合，從而充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)在未來電子學、光電器件等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，而分子束外延技術(shù)則是實現(xiàn)其高質(zhì)量制備的關(guān)鍵。深入研究二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子束外延制備技術(shù)，對于推動這些新型材料在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的科學意義和實際價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在二維材料的分子束外延研究方面，國內(nèi)外科研團隊取得了豐碩的成果。美國斯坦福大學的研究人員利用分子束外延技術(shù)，成功實現(xiàn)了高質(zhì)量的二硫化鉬（MoS?）薄膜的生長，并對其電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)進行了深入研究。他們通過精確控制生長過程中的原子通量和襯底溫度，制備出的MoS?薄膜具有高度的結(jié)晶性和均勻的厚度，為后續(xù)的器件應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。在器件應(yīng)用方面，該團隊基于分子束外延生長的MoS?薄膜制備了高性能的場效應(yīng)晶體管，展現(xiàn)出了優(yōu)異的電學性能，其載流子遷移率可達到100cm2/（V?s）以上，開關(guān)比高達10?，這一成果為二維材料在高速電子器件中的應(yīng)用提供了重要的參考。南京大學張翼教授課題組與美國伯克利國家實驗室先進光源、美國斯坦福大學沈志勛研究組等合作，利用分子束外延技術(shù)實現(xiàn)了二維材料WSe?的分子束外延生長，并結(jié)合多種探測手段對其能帶結(jié)構(gòu)、表面摻雜效應(yīng)及光學響應(yīng)特性進行了詳細的表征與研究。實驗發(fā)現(xiàn)受襯底和界面的影響，單層和兩層的WSe?表現(xiàn)出直接帶隙，并且直接到間接的帶隙轉(zhuǎn)變發(fā)生在兩層和三層之間，高質(zhì)量的光電子譜還給出了單層WSe?價帶的自旋劈裂大小的精確數(shù)值475meV。通過原位的表面摻雜，發(fā)現(xiàn)堿金屬摻雜會對薄膜的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭曲和重整化，使得兩層的WSe?又轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙。這項工作不僅給出了單層到多層WSe?的詳細能帶結(jié)構(gòu)，討論了襯底及界面對其能帶結(jié)構(gòu)和激子結(jié)合能的影響，還實現(xiàn)了通過表面摻雜對其能帶結(jié)構(gòu)進行人工調(diào)控，為二維材料的能帶工程研究提供了重要的實驗依據(jù)。在量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子束外延研究方面，中國科學院半導體研究所劉峰奇研究員團隊在王占國院士的指導下取得了重要進展。研究團隊以二維材料為外延襯底，基于分子束外延技術(shù)，發(fā)展出范德華外延制備量子點材料的新方案。層狀結(jié)構(gòu)的二維材料表面沒有懸掛鍵，表面能低，在遠離熱平衡的超高真空條件下，具備閃鋅礦、纖鋅礦等穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的材料在其表面生長時，在總自由能最小的驅(qū)動下，原子沉積在二維材料上，將傾向于裸露出更多襯底，同時將自身的原子更多地包裹進體內(nèi)，以降低表面自由能，從而實現(xiàn)量子點的生長。反射式高能電子衍射（RHEED）的原位生長監(jiān)測顯示，量子點的范德華外延生長為非共格外延模式，區(qū)別于S-K生長模式，襯底和量子點材料的晶格常數(shù)沒有適配關(guān)系，從而大大提高了襯底和量子點材料組合的自由度，呈現(xiàn)出普適特性；同時，二維材料的面內(nèi)對稱性對量子點材料的晶格取向具有誘導作用，二維材料各異的表面性質(zhì)則為量子點的形貌調(diào)控提供了新的自由度?；谠摲桨?，研究團隊成功在4種二維材料（hBN、FLmica、MoS?、graphene）上制備了5種不同的量子點，包括4種III-V族的化合物半導體InAs、GaAs、InSb、GaSb和1種IV-VI族的化合物半導體SnTe，襯底和量子點組合共計20種。研究團隊在晶圓級尺度上完成了量子點的范德華外延制備，呈現(xiàn)出較好的尺寸均勻性和分布均勻性，且在較小的襯底溫度范圍內(nèi)可以實現(xiàn)量子點密度4個數(shù)量級的變化。此外，研究團隊通過制備光電探測器，拓寬了器件的響應(yīng)光譜范圍，證實了在范德華外延制備的0D/2D混維異質(zhì)結(jié)中界面載流子的有效輸運。該外延方案天然構(gòu)筑的量子點/二維材料體系為研究混維異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了一個新平臺，將有助于拓寬低維量子系統(tǒng)的潛在應(yīng)用。目前，二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子束外延研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在生長過程中，精確控制原子或分子的沉積速率和襯底溫度等參數(shù)，以實現(xiàn)高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長仍是一個難題。不同材料之間的晶格失配和界面兼容性問題也會影響異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能和穩(wěn)定性。在量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，量子點的尺寸、密度和分布的精確控制仍然具有挑戰(zhàn)性，這需要進一步優(yōu)化分子束外延的生長工藝和設(shè)備。同時，對二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長機制和物理性質(zhì)的深入理解還需要進一步加強，這將有助于指導高質(zhì)量異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備和新型器件的開發(fā)。1.3研究內(nèi)容與方法本論文將圍繞分子束外延技術(shù)在二維材料及量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備中的應(yīng)用展開深入研究，具體內(nèi)容包括：深入探究分子束外延技術(shù)制備二維材料及量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本原理，分析在超高真空環(huán)境下，原子或分子束如何在基底表面精確沉積并實現(xiàn)有序生長，以及不同材料原子之間的相互作用機制，揭示影響二維材料生長質(zhì)量和量子點在二維材料表面生長特性的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)研究分子束外延技術(shù)制備二維材料及量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)對結(jié)構(gòu)和性能的影響。在二維材料生長方面，重點研究襯底溫度、原子束流強度、生長速率等參數(shù)對二維材料層數(shù)、結(jié)晶質(zhì)量、缺陷密度以及電子結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。通過實驗和理論分析，確定制備高質(zhì)量二維材料的最佳工藝參數(shù)組合。在量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備中，深入研究量子點的生長溫度、生長時間、量子點材料與二維材料的原子比例等參數(shù)對量子點尺寸、密度、分布均勻性以及與二維材料界面結(jié)合質(zhì)量的影響。探索如何通過精確控制這些工藝參數(shù)，實現(xiàn)量子點在二維材料表面的均勻生長，并獲得理想的異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能。對分子束外延制備的二維材料及量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)進行全面的結(jié)構(gòu)和性能表征。采用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀結(jié)構(gòu)表征手段，詳細分析二維材料的原子排列、晶格結(jié)構(gòu)以及量子點在二維材料表面的形貌、尺寸分布和界面結(jié)構(gòu)。利用拉曼光譜、光致發(fā)光光譜（PL）、X射線光電子能譜（XPS）等光譜分析技術(shù)，研究二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)、光學性質(zhì)以及化學成分。通過電學性能測試，如場效應(yīng)晶體管特性測試、光電探測器響應(yīng)特性測試等，深入了解二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)在電子學和光電器件應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。探索分子束外延制備的二維材料及量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)在光電器件和未來電子學等領(lǐng)域的應(yīng)用?；谥苽涞母哔|(zhì)量二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計并制備高性能的光電器件，如發(fā)光二極管、光電探測器、激光器等，研究器件的工作原理和性能優(yōu)化方法。在未來電子學領(lǐng)域，探索二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)在新型晶體管、單電子器件、量子比特等方面的應(yīng)用潛力，為實現(xiàn)高性能、低功耗的未來電子器件提供理論和實驗基礎(chǔ)。為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本論文將采用以下研究方法：實驗研究法，搭建分子束外延實驗系統(tǒng)，開展二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備實驗。通過精確控制分子束外延設(shè)備的各項參數(shù)，如原子束流強度、襯底溫度、生長時間等，制備不同條件下的樣品。對制備的樣品進行全面的結(jié)構(gòu)和性能表征，獲取實驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析和研究提供依據(jù)。理論模擬法，運用密度泛函理論（DFT）、分子動力學（MD）等理論模擬方法，對二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長過程、原子結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進行模擬計算。通過理論模擬，深入理解分子束外延過程中的原子擴散、成核和生長機制，預測不同工藝參數(shù)下材料的結(jié)構(gòu)和性能，為實驗研究提供理論指導，優(yōu)化實驗方案。對比分析法，對不同工藝參數(shù)制備的二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果進行對比分析。研究不同參數(shù)對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，找出最佳的工藝參數(shù)組合。同時，將實驗結(jié)果與理論模擬結(jié)果進行對比，驗證理論模型的準確性，進一步完善理論體系。文獻調(diào)研法，廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻資料，了解二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子束外延研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。學習和借鑒前人的研究成果和經(jīng)驗，為本論文的研究提供思路和參考，避免重復性研究，確保研究工作的創(chuàng)新性和前沿性。二、分子束外延技術(shù)基礎(chǔ)2.1分子束外延的原理分子束外延（MBE）技術(shù)是在超高真空環(huán)境下進行的一種材料生長技術(shù)，其原理基于原子或分子的蒸發(fā)、傳輸以及在襯底表面的沉積和反應(yīng)。在MBE系統(tǒng)中，通常將所需生長材料的元素或化合物放置在各自獨立的分子束源爐中，這些源爐被精確加熱，使材料蒸發(fā)形成分子束流。以生長GaAs薄膜為例，Ga和As分別放置在不同的源爐中，通過精確控制源爐的溫度，使Ga和As原子以一定的速率蒸發(fā)并形成分子束。這些分子束在高真空環(huán)境中具有較長的平均自由程，能夠幾乎無碰撞地直線傳輸?shù)郊訜岬囊r底表面。在超高真空條件下，分子束與殘余氣體分子的碰撞概率極低，保證了分子束能夠純凈地到達襯底表面。當分子束到達襯底表面后，會發(fā)生一系列復雜的物理過程。分子首先會被襯底表面吸附，形成吸附層。這一過程中，分子與襯底表面原子之間存在著相互作用，這種相互作用的強弱會影響分子的吸附行為。以InAs量子點在GaAs襯底上的生長為例，InAs分子束到達GaAs襯底表面后，InAs分子會迅速被襯底表面吸附。隨后，吸附的分子會在襯底表面進行遷移，尋找合適的晶格位置。在遷移過程中，分子可能會與其他吸附分子相遇并結(jié)合，形成原子團簇。這些原子團簇不斷聚集長大，當達到一定尺寸時，就會成為晶核，開始晶體的外延生長。在這個過程中，襯底的溫度起著關(guān)鍵作用。合適的襯底溫度能夠為吸附分子提供足夠的能量，使其能夠在襯底表面快速遷移，從而有利于形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)。如果襯底溫度過低，分子的遷移能力受限，可能會導致晶體生長過程中出現(xiàn)缺陷；而如果襯底溫度過高，分子的脫附概率增加，不利于晶體的生長。例如，在生長GaAs薄膜時，襯底溫度通?？刂圃?00-600℃之間，這個溫度范圍能夠保證Ga和As原子在襯底表面有足夠的遷移能力，同時又能避免過多的原子脫附。在晶體生長過程中，還可以通過控制分子束的通量和生長時間，精確控制外延層的厚度和成分。通過調(diào)節(jié)源爐的溫度，可以精確控制分子束的通量，從而實現(xiàn)對外延層生長速率的精確控制。通過控制分子束的開關(guān)時間，可以精確控制外延層的厚度。在生長量子點時，可以通過精確控制量子點材料的分子束通量和生長時間，實現(xiàn)對量子點尺寸和密度的精確控制。如在制備InAs量子點時，通過精確控制InAs分子束的通量和生長時間，可以制備出尺寸均勻、密度可控的InAs量子點。此外，MBE技術(shù)還可以通過引入不同的分子束源，實現(xiàn)多種材料的交替生長，從而制備出復雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在制備量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，可以先生長二維材料層，然后在其表面生長量子點層，通過精確控制生長過程，實現(xiàn)量子點在二維材料表面的均勻分布和良好的界面結(jié)合。2.2分子束外延系統(tǒng)組成分子束外延設(shè)備是一個復雜而精密的系統(tǒng)，其核心組件包括超高真空系統(tǒng)、分子束源爐、襯底加熱與控制系統(tǒng)以及監(jiān)測分析儀器等，這些組件協(xié)同工作，確保了在原子尺度上精確制備二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)。超高真空系統(tǒng)是分子束外延設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，其主要作用是為分子束外延生長提供一個近乎完美的真空環(huán)境。在分子束外延過程中，需要將生長室的真空度維持在10??-10?11Pa的超高真空水平。這是因為在如此高的真空環(huán)境下，殘余氣體分子的數(shù)量極少，分子束中的原子或分子與殘余氣體分子的碰撞概率極低，從而能夠幾乎無碰撞地直線傳輸?shù)揭r底表面，保證了外延生長的純凈性和高質(zhì)量。為了實現(xiàn)和維持這樣的超高真空環(huán)境，通常采用多種真空泵組合的方式。常用的真空泵包括離子泵、渦輪分子泵和鈦升華泵等。離子泵通過電離氣體分子并將其吸附在泵壁上，實現(xiàn)對氣體的抽除；渦輪分子泵則利用高速旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片將氣體分子推向泵的出口，從而達到抽氣的目的；鈦升華泵通過升華鈦膜來吸附氣體分子，進一步提高真空度。這些真空泵相互配合，能夠有效地抽除生長室內(nèi)的殘余氣體，維持超高真空環(huán)境。此外，超高真空系統(tǒng)還包括真空密封裝置、真空管道和真空閥門等部件，這些部件的設(shè)計和制造需要保證良好的密封性和可靠性，以防止外界氣體的侵入。分子束源爐是產(chǎn)生分子束的核心部件，其作用是將所需生長材料的元素或化合物加熱蒸發(fā)，形成分子束流。分子束源爐通常采用克努森（Knudsen）爐的結(jié)構(gòu)，由一個耐高溫的坩堝和加熱裝置組成。將生長材料放置在坩堝中，通過精確控制加熱裝置的功率，使材料加熱到合適的溫度，從而蒸發(fā)形成分子束。以生長GaAs材料為例，需要分別將Ga和As放置在不同的分子束源爐中。Ga源爐通常加熱到800-900℃，使Ga原子蒸發(fā)形成Ga分子束；As源爐則加熱到300-400℃，使As?或As?分子蒸發(fā)形成As分子束。在生長過程中，通過控制源爐的溫度，可以精確調(diào)節(jié)分子束的通量，從而實現(xiàn)對外延層生長速率的精確控制。此外，為了確保分子束的穩(wěn)定性和均勻性，分子束源爐還需要配備高精度的溫度控制系統(tǒng)和快門裝置。溫度控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測和調(diào)節(jié)源爐的溫度，保證分子束的穩(wěn)定發(fā)射；快門裝置則可以快速開啟和關(guān)閉分子束，實現(xiàn)對生長過程的精確控制。襯底加熱與控制系統(tǒng)用于精確控制襯底的溫度，為分子束外延生長提供合適的熱力學條件。襯底溫度對分子束外延生長過程有著至關(guān)重要的影響。合適的襯底溫度能夠為吸附在襯底表面的分子提供足夠的能量，使其能夠在襯底表面快速遷移，尋找合適的晶格位置進行生長，從而有利于形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)。如果襯底溫度過低，分子的遷移能力受限，可能會導致晶體生長過程中出現(xiàn)缺陷，如原子排列不規(guī)則、晶格畸變等；而如果襯底溫度過高，分子的脫附概率增加，不利于晶體的生長。在生長GaAs薄膜時，襯底溫度通?？刂圃?00-600℃之間。為了精確控制襯底溫度，襯底加熱與控制系統(tǒng)通常采用電阻加熱、射頻感應(yīng)加熱或紅外加熱等方式。電阻加熱是通過在襯底背面安裝電阻絲，通電后電阻絲發(fā)熱，將熱量傳遞給襯底；射頻感應(yīng)加熱則是利用交變磁場在襯底中產(chǎn)生感應(yīng)電流，使襯底自身發(fā)熱；紅外加熱是通過發(fā)射紅外線，將能量傳遞給襯底，使其升溫。同時，該系統(tǒng)還配備了高精度的溫度傳感器，如熱電偶或熱敏電阻，用于實時監(jiān)測襯底溫度，并通過反饋控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)加熱功率，確保襯底溫度的穩(wěn)定性和精確性。監(jiān)測分析儀器是分子束外延設(shè)備的重要組成部分，用于實時監(jiān)測和分析外延生長過程中的各種物理參數(shù)和材料特性，為生長過程的精確控制提供依據(jù)。常用的監(jiān)測分析儀器包括反射式高能電子衍射儀（RHEED）、四極質(zhì)譜儀（QMS）、俄歇電子能譜儀（AES）和原子力顯微鏡（AFM）等。反射式高能電子衍射儀（RHEED）是分子束外延生長過程中最重要的原位監(jiān)測工具之一。它利用高能電子束（通常能量在10-30keV之間）掠射到生長表面，通過檢測反射電子束的衍射圖案來獲取生長表面的結(jié)構(gòu)信息。在分子束外延生長過程中，RHEED可以實時監(jiān)測生長表面的原子排列、晶格結(jié)構(gòu)和生長模式。當原子在襯底表面逐層生長時，RHEED圖案會呈現(xiàn)出周期性的變化，通過分析這些變化，可以確定生長速率、層厚和表面平整度等參數(shù)。在生長高質(zhì)量的二維材料時，RHEED圖案的清晰和穩(wěn)定表明生長表面具有良好的原子級平整度和有序性；而當RHEED圖案出現(xiàn)模糊或異常時，則可能意味著生長過程中存在缺陷或雜質(zhì)。四極質(zhì)譜儀（QMS）主要用于監(jiān)測生長室中的殘余氣體成分和分子束流的組成。它通過將氣體分子電離，并利用四極電場對離子進行質(zhì)量分析，從而確定氣體的成分和含量。在分子束外延生長過程中，QMS可以實時監(jiān)測生長室中的殘余氣體，如氧氣、水蒸氣、碳氫化合物等，確保生長環(huán)境的純凈性。QMS還可以監(jiān)測分子束流中各種元素的比例，為精確控制外延層的成分提供依據(jù)。在生長化合物半導體時，通過QMS監(jiān)測分子束中不同元素的比例，可以及時調(diào)整源爐的溫度，保證化合物的化學計量比。俄歇電子能譜儀（AES）用于分析材料表面的化學成分和化學狀態(tài)。它利用高能電子束激發(fā)樣品表面的原子，使其發(fā)射出俄歇電子，通過檢測俄歇電子的能量和強度，確定表面原子的種類和濃度。在分子束外延生長過程中，AES可以用于監(jiān)測襯底表面的清潔度、外延層的成分和界面質(zhì)量等。在生長前，通過AES檢測襯底表面的雜質(zhì)含量，確保襯底表面的清潔；在生長過程中，AES可以分析外延層的成分，判斷生長過程是否符合預期；在生長結(jié)束后，AES可以研究外延層與襯底之間的界面質(zhì)量，確定界面處是否存在雜質(zhì)擴散或化學反應(yīng)。原子力顯微鏡（AFM）則用于對生長后的樣品表面進行微觀形貌分析。它通過掃描探針與樣品表面之間的相互作用力，獲取樣品表面的三維形貌信息。AFM可以精確測量樣品表面的粗糙度、臺階高度和量子點的尺寸、密度等參數(shù)。在研究量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，AFM可以直觀地觀察量子點在二維材料表面的形貌、分布和尺寸均勻性，為評估異質(zhì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量提供重要依據(jù)。2.3分子束外延技術(shù)的特點與優(yōu)勢分子束外延技術(shù)在材料制備領(lǐng)域展現(xiàn)出諸多獨特的特點與顯著的優(yōu)勢，使其成為制備高質(zhì)量二維材料和量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。原子級精度生長是分子束外延技術(shù)最為突出的優(yōu)勢之一。在超高真空環(huán)境下，分子束外延能夠?qū)崿F(xiàn)薄膜的逐層生長，精確控制每一層原子的沉積，其精度可達到原子層級別。這種原子級別的精確控制使得制備出的材料具有高度的結(jié)晶性和原子排列的有序性。在生長二維材料時，通過分子束外延技術(shù)可以精確控制二維材料的層數(shù)，制備出單層、雙層或多層的二維材料，且層與層之間的界面清晰、平整，原子排列整齊。在制備石墨烯時，利用分子束外延技術(shù)可以在特定的襯底上精確生長出單層石墨烯，其原子排列的規(guī)整性使得石墨烯具有優(yōu)異的電學性能，如超高的載流子遷移率，為石墨烯在高速電子器件中的應(yīng)用提供了可能。在制備量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，原子級精度生長能夠精確控制量子點的尺寸和密度。通過精確控制量子點材料分子束的沉積時間和速率，可以制備出尺寸均勻、密度可控的量子點，并且能夠?qū)崿F(xiàn)量子點在二維材料表面的精確位置控制，從而優(yōu)化異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能。在制備InAs量子點/GaAs二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，通過分子束外延技術(shù)精確控制InAs分子束的沉積，可以制備出尺寸在10-20nm之間、密度在101?-1011cm?2范圍內(nèi)的InAs量子點，并且量子點在GaAs表面均勻分布，這種精確控制為量子點在光電器件中的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。分子束外延技術(shù)能夠精確控制薄膜的成分和結(jié)構(gòu)。通過獨立控制各個分子束源的通量，可以精確調(diào)節(jié)外延層中不同元素的比例，從而實現(xiàn)對薄膜化學成分的精確控制。在生長化合物半導體薄膜時，可以通過精確控制不同元素分子束的流量，制備出具有特定化學計量比的化合物半導體薄膜。在生長GaAs薄膜時，通過精確控制Ga和As分子束的通量比，可以制備出化學計量比精確為1:1的高質(zhì)量GaAs薄膜，保證了薄膜的電學和光學性能。分子束外延技術(shù)還可以通過交替切換不同的分子束源，實現(xiàn)多種材料的交替生長，從而制備出復雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在制備量子阱結(jié)構(gòu)時，可以通過交替生長不同材料的量子阱層和勢壘層，精確控制量子阱的寬度、勢壘高度和材料組成，從而實現(xiàn)對量子阱電學和光學性質(zhì)的精確調(diào)控。在制備GaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)時，通過分子束外延技術(shù)精確控制GaAs和AlGaAs分子束的交替生長，可以制備出量子阱寬度在幾個納米到幾十納米之間、勢壘高度可調(diào)的高質(zhì)量量子阱結(jié)構(gòu)，這種精確控制的量子阱結(jié)構(gòu)在光電器件如量子阱激光器、量子阱紅外探測器等中具有重要的應(yīng)用。分子束外延技術(shù)的生長溫度相對較低。與其他外延技術(shù)相比，如化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）等，分子束外延的生長溫度通?？梢越档蛶资缴习贁z氏度。以GaAs材料的生長為例，分子束外延的生長溫度一般在500-600℃，而CVD生長GaAs的溫度通常在700-800℃。較低的生長溫度具有多方面的優(yōu)勢。它可以減少生長過程中產(chǎn)生的熱缺陷。在高溫生長過程中，原子的熱運動加劇，容易導致晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷產(chǎn)生，如空位、位錯等，而較低的生長溫度可以有效抑制這些熱缺陷的產(chǎn)生，提高材料的質(zhì)量。較低的生長溫度可以減少襯底與外延層中的雜質(zhì)擴散。在高溫下，雜質(zhì)原子的擴散速度加快，容易導致雜質(zhì)在材料中的分布不均勻，影響材料的性能，而低溫生長可以使雜質(zhì)原子的擴散得到有效控制，保證材料的電學和光學性能的穩(wěn)定性。較低的生長溫度還有利于生長對溫度敏感的材料。一些材料在高溫下容易發(fā)生分解、相變等反應(yīng)，而分子束外延的低溫生長條件可以避免這些問題，使得這些材料能夠成功生長。對于一些含有易揮發(fā)元素的化合物半導體材料，低溫生長可以減少元素的揮發(fā)，保證材料的化學計量比和性能。分子束外延技術(shù)能夠制備復雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過精確控制分子束的通量和生長時間，可以在同一襯底上生長出不同材料、不同結(jié)構(gòu)的多層薄膜，形成復雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在制備量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，分子束外延技術(shù)可以先在襯底上生長二維材料層，然后在二維材料表面精確生長量子點層，實現(xiàn)量子點與二維材料的完美結(jié)合。這種復雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢，展現(xiàn)出獨特的物理性質(zhì)和應(yīng)用潛力。在制備基于量子點/二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電探測器時，量子點可以有效地吸收和利用光，提高探測器的光吸收效率；而二維材料則可以提供高效的電荷傳輸通道，促進電荷的快速分離和轉(zhuǎn)移，從而提高探測器的響應(yīng)速度和靈敏度。分子束外延技術(shù)還可以制備超晶格結(jié)構(gòu)、量子線等復雜的低維量子結(jié)構(gòu)。通過周期性地交替生長不同材料的薄層，可以形成超晶格結(jié)構(gòu)，其獨特的能帶結(jié)構(gòu)和量子限域效應(yīng)使其在電子學和光電器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。在制備量子線時，分子束外延技術(shù)可以通過在特定的襯底表面進行選擇性生長，精確控制量子線的尺寸、形狀和生長方向，為量子線在量子器件中的應(yīng)用提供了可能。三、二維材料的分子束外延生長3.1常見二維材料的特性及應(yīng)用3.1.1石墨烯石墨烯作為一種典型的二維材料，具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。從晶體結(jié)構(gòu)來看，石墨烯是由碳原子以六邊形晶格緊密排列而成的單層二維材料。其碳原子之間通過共價鍵相互連接，形成了穩(wěn)定的平面結(jié)構(gòu)。這種獨特的原子排列方式賦予了石墨烯諸多優(yōu)異的電學性質(zhì)。在電學性能方面，石墨烯具有超高的載流子遷移率，理論值可達200000cm2/（V?s）以上。這一特性使得石墨烯在電子學領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，例如在高速電子器件中，石墨烯可以作為溝道材料，顯著提高器件的運行速度，降低功耗。同時，石墨烯還具有良好的導電性，其電導率可達10?S/m，這使得它在電極材料方面具有很大的優(yōu)勢。在鋰離子電池中，石墨烯可以作為電極材料，提高電池的充放電效率和循環(huán)壽命。在超級電容器中，石墨烯電極能夠提供高的比電容和快速的充放電性能。在光學性能方面，雖然石墨烯只有一個原子層厚度，但它對光的吸收卻具有獨特的性質(zhì)。石墨烯能夠吸收約2.3%的可見光，這一特性使其在光電器件中具有潛在的應(yīng)用。在光電探測器中，石墨烯可以作為光吸收層，實現(xiàn)對光信號的高效探測。石墨烯還具有良好的透光性，在可見光范圍內(nèi)的透光率可達97.7%，這使得它在透明導電電極領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。在觸摸屏、有機發(fā)光二極管（OLED）等器件中，石墨烯可以作為透明導電電極，替代傳統(tǒng)的氧化銦錫（ITO）電極，解決ITO電極存在的價格昂貴、脆性大等問題。石墨烯的力學性能也十分出色。它是目前已知強度最高的材料之一，其抗拉強度可達130GPa，楊氏模量約為1.0TPa。這種優(yōu)異的力學性能使得石墨烯在復合材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，將石墨烯添加到復合材料中，可以顯著提高材料的強度和韌性，同時降低材料的重量，從而提高飛行器的性能。在汽車制造領(lǐng)域，石墨烯增強的復合材料可以用于制造汽車零部件，提高汽車的安全性和燃油經(jīng)濟性。在傳感器領(lǐng)域，石墨烯的高靈敏度和快速響應(yīng)特性使其成為一種理想的傳感材料?；谑┑膫鞲衅骺梢杂糜跈z測氣體、生物分子、離子等物質(zhì)。在氣體傳感器中，石墨烯可以通過吸附氣體分子來改變其電學性能，從而實現(xiàn)對氣體的檢測。在生物傳感器中，石墨烯可以與生物分子相互作用，實現(xiàn)對生物分子的高靈敏度檢測。3.1.2過渡金屬硫族化合物過渡金屬硫族化合物（TMDs）是一類重要的二維材料，由過渡金屬原子與硫族原子組成，如二硫化鉬（MoS?）、二硒化鎢（WSe?）等。這些材料具有豐富的物理性質(zhì)，在光電器件、傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價值。以MoS?為例，其晶體結(jié)構(gòu)由一層Mo原子夾在兩層S原子之間形成三明治結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得MoS?具有獨特的電學和光學性質(zhì)。在電學方面，塊體MoS?是間接帶隙半導體，而單層MoS?則表現(xiàn)為直接帶隙半導體，帶隙約為1.8eV。這種帶隙的轉(zhuǎn)變使得MoS?在半導體器件中具有重要的應(yīng)用潛力。在晶體管中，單層MoS?可以作為溝道材料，由于其直接帶隙的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開關(guān)比和更低的功耗。與傳統(tǒng)的硅基晶體管相比，基于MoS?的晶體管具有更小的尺寸和更高的性能，有望在未來的集成電路中發(fā)揮重要作用。在光學方面，單層MoS?具有顯著的光致發(fā)光特性。其光致發(fā)光強度較高，發(fā)光峰位于可見光范圍內(nèi)，這使得MoS?在光發(fā)射二極管、光電探測器等光電器件中具有重要的應(yīng)用。在光發(fā)射二極管中，MoS?可以作為發(fā)光層，通過電注入激發(fā)產(chǎn)生光發(fā)射。在光電探測器中，MoS?可以吸收光并產(chǎn)生光生載流子，實現(xiàn)對光信號的探測。MoS?還具有良好的光學非線性特性，在非線性光學器件中具有潛在的應(yīng)用。在光學調(diào)制器中，MoS?可以利用其光學非線性特性，實現(xiàn)對光信號的調(diào)制。WSe?也是一種重要的TMDs材料，其晶體結(jié)構(gòu)與MoS?類似。WSe?具有較大的激子結(jié)合能，這使得它在光電器件中具有獨特的優(yōu)勢。在量子比特領(lǐng)域，WSe?中的激子可以作為量子比特的候選者，利用其量子特性實現(xiàn)量子信息的存儲和處理。WSe?還具有良好的光電轉(zhuǎn)換效率，在太陽能電池中具有潛在的應(yīng)用前景。通過優(yōu)化WSe?的結(jié)構(gòu)和性能，可以提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低成本。在傳感器領(lǐng)域，TMDs材料也展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價值。由于其表面原子的高活性，TMDs可以與氣體分子、生物分子等發(fā)生相互作用，從而實現(xiàn)對這些物質(zhì)的檢測。在氣體傳感器中，TMDs可以通過吸附氣體分子來改變其電學性能，實現(xiàn)對氣體的高靈敏度檢測。在生物傳感器中，TMDs可以與生物分子特異性結(jié)合，實現(xiàn)對生物分子的快速檢測。3.1.3黑磷黑磷是一種具有各向異性的二維材料，其獨特的原子結(jié)構(gòu)使其在電學、光學和熱學性質(zhì)上表現(xiàn)出明顯的方向性，在高速電子器件和光電器件等方面具有潛在應(yīng)用前景。從晶體結(jié)構(gòu)來看，黑磷由磷原子通過共價鍵相互連接形成褶皺的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得黑磷具有與石墨烯等二維材料不同的物理性質(zhì)。在電學性能方面，黑磷具有直接帶隙，且?guī)洞笮】稍?.3-2.0eV之間通過層數(shù)進行調(diào)控。這一特性使得黑磷在半導體器件中具有重要的應(yīng)用價值。在晶體管中，黑磷可以作為溝道材料，利用其可調(diào)控的帶隙特性，實現(xiàn)對器件電學性能的精確控制。與其他二維材料相比，黑磷的載流子遷移率較高，可達1000cm2/（V?s）以上，這使得基于黑磷的晶體管具有較高的開關(guān)速度和較低的功耗。在邏輯電路中，黑磷晶體管可以提高電路的運行速度和降低功耗，有助于實現(xiàn)集成電路的小型化和高性能化。在光學性能方面，黑磷具有良好的光吸收和發(fā)射特性。其光吸收系數(shù)較高，在可見光和近紅外光范圍內(nèi)表現(xiàn)出較強的光吸收能力。這使得黑磷在光電探測器、發(fā)光二極管等光電器件中具有潛在的應(yīng)用。在光電探測器中，黑磷可以作為光吸收層，通過吸收光信號產(chǎn)生光生載流子，實現(xiàn)對光信號的高效探測。在發(fā)光二極管中，黑磷可以作為發(fā)光層，通過電注入激發(fā)產(chǎn)生光發(fā)射。黑磷還具有良好的光學各向異性，其光學性質(zhì)在不同方向上表現(xiàn)出明顯的差異。這種光學各向異性使得黑磷在偏振光器件中具有重要的應(yīng)用價值。在偏振光探測器中，黑磷可以利用其光學各向異性，實現(xiàn)對偏振光的高靈敏度探測。在熱學性能方面，黑磷具有較低的熱導率。這一特性使得黑磷在熱管理領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。在電子器件中，黑磷可以作為散熱材料，通過降低器件的溫度，提高器件的性能和穩(wěn)定性。在集成電路中，黑磷可以用于制造散熱片，有效地降低芯片的溫度，提高芯片的運行效率。在傳感器領(lǐng)域，黑磷的各向異性特性也為其應(yīng)用提供了新的思路。基于黑磷的傳感器可以利用其各向異性特性，實現(xiàn)對不同方向上的物理量的檢測。在壓力傳感器中，黑磷可以通過其各向異性的力學性能，實現(xiàn)對不同方向上壓力的高靈敏度檢測。3.2二維材料分子束外延生長的工藝與條件在二維材料的分子束外延生長過程中，襯底的選擇與處理是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接影響著二維材料的生長質(zhì)量和性能。襯底的晶格結(jié)構(gòu)和原子間距與二維材料的匹配程度是選擇襯底時需要考慮的關(guān)鍵因素之一。晶格失配會導致二維材料在生長過程中產(chǎn)生應(yīng)力和缺陷，影響材料的質(zhì)量和性能。對于石墨烯的生長，通常選擇碳化硅（SiC）襯底。SiC襯底與石墨烯之間具有較好的晶格匹配度，其晶格失配率相對較低。在SiC襯底上生長石墨烯時，通過精確控制生長條件，如溫度、分子束通量等，可以實現(xiàn)高質(zhì)量的石墨烯生長。在生長過程中，石墨烯與SiC襯底之間能夠形成較好的界面結(jié)合，減少界面處的缺陷和應(yīng)力，從而保證石墨烯具有優(yōu)異的電學性能。而在生長過渡金屬硫族化合物（TMDs）時，如二硫化鉬（MoS?），藍寶石襯底是常用的選擇之一。藍寶石襯底具有較高的化學穩(wěn)定性和良好的熱學性能，能夠為MoS?的生長提供穩(wěn)定的環(huán)境。雖然藍寶石襯底與MoS?之間存在一定的晶格失配，但通過優(yōu)化生長工藝，如采用合適的緩沖層或調(diào)整生長溫度等，可以有效降低晶格失配帶來的影響，實現(xiàn)高質(zhì)量的MoS?薄膜生長。襯底的表面質(zhì)量也對二維材料的生長起著重要作用。在生長前，需要對襯底進行嚴格的清洗和預處理，以去除表面的雜質(zhì)、氧化物和有機物等。常用的清洗方法包括化學清洗、超聲清洗和高溫退火等。在生長黑磷時，對襯底進行化學清洗可以去除表面的雜質(zhì)和污染物，提高襯底的表面清潔度。通過超聲清洗可以進一步去除襯底表面的微小顆粒，使襯底表面更加平整。高溫退火則可以消除襯底表面的應(yīng)力，改善襯底的晶體結(jié)構(gòu)，為黑磷的生長提供更好的基礎(chǔ)。在清洗和預處理過程中，需要嚴格控制工藝參數(shù)，確保襯底表面的質(zhì)量和穩(wěn)定性。如果襯底表面存在殘留的雜質(zhì)或污染物，可能會導致二維材料在生長過程中出現(xiàn)缺陷、成核不均勻等問題，影響材料的質(zhì)量和性能。分子束的流量和能量控制是實現(xiàn)二維材料精確生長的關(guān)鍵工藝參數(shù)。分子束的流量直接影響著二維材料的生長速率和厚度。在生長過程中，需要根據(jù)所需的生長速率和薄膜厚度，精確調(diào)節(jié)分子束的流量。在生長單層MoS?時，通過精確控制Mo和S分子束的流量比，可以實現(xiàn)MoS?的化學計量比生長，保證薄膜的質(zhì)量和性能。如果Mo和S分子束的流量比不合適，可能會導致MoS?薄膜中出現(xiàn)硫空位或鉬過量等缺陷，影響薄膜的電學和光學性能。分子束的能量也會影響分子在襯底表面的吸附、遷移和反應(yīng)過程。適當?shù)姆肿邮芰靠梢蕴岣叻肿釉谝r底表面的遷移能力，促進原子的有序排列，從而提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。在生長石墨烯時，通過調(diào)節(jié)分子束的能量，可以使碳原子在襯底表面更有效地遷移和結(jié)合，形成高質(zhì)量的石墨烯薄膜。如果分子束能量過高，可能會導致原子在襯底表面的濺射，影響薄膜的生長；而分子束能量過低，則可能導致分子在襯底表面的遷移能力不足，影響薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。生長溫度是影響二維材料分子束外延生長的重要因素之一，對薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、生長速率和表面形貌等都有著顯著的影響。不同的二維材料具有不同的最佳生長溫度范圍。在生長石墨烯時，生長溫度通?？刂圃?000-1200℃之間。在這個溫度范圍內(nèi)，碳原子具有足夠的能量在襯底表面遷移和結(jié)合，能夠形成高質(zhì)量的石墨烯薄膜。如果生長溫度過低，碳原子的遷移能力受限，可能會導致石墨烯薄膜中出現(xiàn)缺陷和晶界，影響薄膜的電學性能。而如果生長溫度過高，碳原子的脫附概率增加，不利于石墨烯的生長，還可能導致襯底的損傷。在生長TMDs時，生長溫度一般在500-800℃之間。例如，在生長二硒化鎢（WSe?）時，合適的生長溫度可以保證W和Se原子在襯底表面的有序排列，形成高質(zhì)量的WSe?薄膜。溫度過高或過低都會影響WSe?薄膜的質(zhì)量和性能。溫度過高可能會導致薄膜中出現(xiàn)雜質(zhì)擴散、晶格畸變等問題；溫度過低則可能導致薄膜的結(jié)晶質(zhì)量下降，影響其光學和電學性能。真空度是分子束外延生長的必要條件，對二維材料的生長質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。在分子束外延生長過程中，需要將生長室的真空度維持在10??-10?11Pa的超高真空水平。在如此高的真空環(huán)境下，殘余氣體分子的數(shù)量極少，分子束中的原子或分子與殘余氣體分子的碰撞概率極低，從而能夠幾乎無碰撞地直線傳輸?shù)揭r底表面，保證了外延生長的純凈性和高質(zhì)量。如果真空度不足，殘余氣體分子會與分子束中的原子或分子發(fā)生碰撞，導致分子束的散射和能量損失，影響分子在襯底表面的吸附和反應(yīng)過程。殘余氣體分子還可能作為雜質(zhì)摻入到二維材料中，引入缺陷和雜質(zhì)，降低材料的質(zhì)量和性能。在生長高質(zhì)量的二維材料時，必須嚴格控制真空度，確保生長環(huán)境的純凈性。3.3二維材料分子束外延生長案例分析以WSe?在雙層石墨烯襯底上的生長為例，這一過程涉及到多個關(guān)鍵步驟和復雜的物理化學過程。在生長之前，雙層石墨烯襯底的選擇和預處理至關(guān)重要。雙層石墨烯具有獨特的原子結(jié)構(gòu)和電學性質(zhì)，其晶格結(jié)構(gòu)與WSe?具有一定的匹配度，能夠為WSe?的生長提供相對穩(wěn)定的基底。在預處理過程中，需要對雙層石墨烯襯底進行嚴格的清洗和退火處理，以去除表面的雜質(zhì)和氧化物，確保襯底表面的清潔和平整。通過化學清洗和高溫退火，可以有效去除襯底表面的有機污染物和金屬雜質(zhì)，提高襯底表面的質(zhì)量，為WSe?的高質(zhì)量生長奠定基礎(chǔ)。在生長過程中，精確控制分子束的流量和能量是實現(xiàn)高質(zhì)量WSe?生長的關(guān)鍵。WSe?的生長通常采用W和Se分子束分別蒸發(fā)的方式，通過精確控制W和Se分子束的流量比，可以實現(xiàn)WSe?的化學計量比生長。在生長過程中，需要將W和Se分子束的流量比控制在接近1:2的比例，以確保WSe?薄膜中W和Se的化學計量比準確，避免出現(xiàn)空位或雜質(zhì)缺陷。分子束的能量也會影響WSe?在襯底表面的吸附和遷移行為。適當?shù)姆肿邮芰靠梢蕴岣遅和Se原子在襯底表面的遷移能力，促進原子的有序排列，從而提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。通過調(diào)節(jié)分子束的能量，可以使W和Se原子在襯底表面更有效地遷移和結(jié)合，形成高質(zhì)量的WSe?薄膜。如果分子束能量過高，可能會導致原子在襯底表面的濺射，影響薄膜的生長；而分子束能量過低，則可能導致分子在襯底表面的遷移能力不足，影響薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。生長溫度也是影響WSe?生長的重要因素之一。實驗表明，WSe?在雙層石墨烯襯底上的最佳生長溫度通常在500-600℃之間。在這個溫度范圍內(nèi)，W和Se原子具有足夠的能量在襯底表面遷移和反應(yīng)，能夠形成高質(zhì)量的WSe?薄膜。如果生長溫度過低，原子的遷移能力受限，可能會導致WSe?薄膜中出現(xiàn)缺陷和晶界，影響薄膜的電學和光學性能。而如果生長溫度過高，原子的脫附概率增加，不利于WSe?的生長，還可能導致襯底的損傷。在生長過程中，需要精確控制生長溫度，確保溫度的穩(wěn)定性和均勻性，以實現(xiàn)高質(zhì)量的WSe?生長。在生長過程中，也會遇到一些問題。其中，WSe?與雙層石墨烯之間的晶格失配是一個較為突出的問題。盡管雙層石墨烯與WSe?之間具有一定的晶格匹配度，但仍然存在一定的晶格失配，這可能導致在生長過程中產(chǎn)生應(yīng)力和缺陷，影響薄膜的質(zhì)量和性能。為了解決這一問題，可以采用緩沖層的方法。在WSe?生長之前，先在雙層石墨烯襯底上生長一層與WSe?晶格匹配度更好的緩沖層，如六方氮化硼（h-BN）緩沖層。h-BN緩沖層可以有效緩解WSe?與雙層石墨烯之間的晶格失配，減少應(yīng)力和缺陷的產(chǎn)生，提高WSe?薄膜的質(zhì)量。通過優(yōu)化生長工藝參數(shù)，如生長速率、生長溫度等，也可以在一定程度上降低晶格失配帶來的影響。適當降低生長速率可以使原子有更多的時間進行遷移和排列，從而減少缺陷的產(chǎn)生。生長后的WSe?薄膜具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能。通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）分析可以發(fā)現(xiàn)，WSe?薄膜在雙層石墨烯襯底上具有良好的結(jié)晶性，原子排列整齊，層間界面清晰。HRTEM圖像可以清晰地觀察到WSe?的原子結(jié)構(gòu)和晶格條紋，表明生長的WSe?薄膜具有高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)。拉曼光譜分析則可以用于研究WSe?薄膜的晶體質(zhì)量和電子結(jié)構(gòu)。拉曼光譜中的特征峰位置和強度可以反映WSe?薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，通過與標準拉曼光譜對比，可以判斷WSe?薄膜的質(zhì)量和結(jié)晶度。在WSe?的拉曼光譜中，A?g和E2??g模式的特征峰位置和強度可以用于評估薄膜的質(zhì)量和晶體結(jié)構(gòu)。光致發(fā)光光譜（PL）分析顯示，WSe?薄膜具有較強的光致發(fā)光特性，其發(fā)光峰位于可見光范圍內(nèi)，這使得WSe?在光電器件中具有潛在的應(yīng)用價值。PL光譜可以反映WSe?薄膜的光學性質(zhì)，通過測量PL光譜的強度和峰位，可以研究WSe?薄膜的發(fā)光機制和光學性能。在光電器件中，WSe?的光致發(fā)光特性可以用于實現(xiàn)光發(fā)射和光探測等功能。四、量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子束外延制備4.1量子點的特性與應(yīng)用量子點作為一種準零維的納米材料，其尺寸通常在1-100nm之間，由于量子限域效應(yīng)，展現(xiàn)出一系列獨特的特性。量子限域效應(yīng)是量子點最為顯著的特性之一。當量子點的尺寸小于激子玻爾半徑時，電子和空穴被限制在一個極小的空間內(nèi)，其能級由連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉至⒌哪芗墶＿@種能級的量子化使得量子點具有與體材料截然不同的光學和電學性質(zhì)。以CdSe量子點為例，隨著量子點尺寸的減小，其吸收光譜和發(fā)射光譜會發(fā)生藍移，這是因為尺寸減小導致量子限域效應(yīng)增強，電子和空穴的能級間距增大，從而使得吸收和發(fā)射光子的能量增加。這種尺寸依賴的光學性質(zhì)使得量子點在發(fā)光器件和光電探測器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。在發(fā)光二極管中，通過精確控制量子點的尺寸，可以實現(xiàn)對發(fā)光顏色的精確調(diào)控，從而制備出高色彩飽和度的發(fā)光二極管。量子點具有尺寸可調(diào)的能級結(jié)構(gòu)。由于量子限域效應(yīng)，量子點的能級可以通過改變其尺寸進行精確調(diào)控。通過控制量子點的生長條件，如溫度、反應(yīng)時間和前驅(qū)體濃度等，可以制備出不同尺寸的量子點，從而實現(xiàn)對其能級結(jié)構(gòu)的精確調(diào)節(jié)。這種尺寸可調(diào)的能級結(jié)構(gòu)使得量子點在量子比特、單電子晶體管等量子器件中具有潛在的應(yīng)用前景。在量子比特中，量子點的分立能級可以用于存儲和處理量子信息，通過精確控制量子點的能級結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對量子比特的精確操控。量子點還具有較高的熒光量子產(chǎn)率。許多量子點的熒光量子產(chǎn)率可以達到50%以上，部分高質(zhì)量的量子點甚至可以接近100%。這使得量子點在生物熒光標記、熒光傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在生物熒光標記中，量子點可以作為熒光探針，用于標記生物分子，實現(xiàn)對生物分子的高靈敏度檢測和成像。與傳統(tǒng)的有機熒光染料相比，量子點具有更寬的吸收光譜、更窄的發(fā)射光譜和更高的光穩(wěn)定性，能夠提供更準確和穩(wěn)定的熒光信號。量子點在光電器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在發(fā)光二極管（LED）方面，量子點發(fā)光二極管（QD-LED）具有高效率、寬色域和低成本的優(yōu)勢。量子點作為發(fā)光材料，其發(fā)光顏色可以通過尺寸精確調(diào)控，能夠覆蓋更廣闊的色域，實現(xiàn)更加鮮艷、逼真的色彩顯示。與傳統(tǒng)的有機發(fā)光二極管（OLED）相比，QD-LED的發(fā)光效率更高，壽命更長，有望成為下一代顯示技術(shù)的主流。在光電探測器方面，量子點光電探測器具有高靈敏度、寬光譜響應(yīng)和快速響應(yīng)速度的特點。量子點的量子限域效應(yīng)使其能夠吸收和發(fā)射特定波長的光，通過選擇合適的量子點材料和結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對不同波長光的高效探測。在近紅外光探測領(lǐng)域，量子點光電探測器具有獨特的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對近紅外光的高靈敏度探測，在夜視、生物醫(yī)學成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。量子點在生物醫(yī)學領(lǐng)域也展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價值。在生物熒光標記方面，量子點作為熒光探針具有許多優(yōu)點。其高熒光量子產(chǎn)率和光穩(wěn)定性使得標記后的生物分子能夠長時間保持穩(wěn)定的熒光信號，便于進行生物分子的檢測和成像。量子點的尺寸小，能夠更容易地穿透生物膜，進入細胞內(nèi)部進行標記和檢測。在癌癥診斷中，通過將量子點標記在癌細胞特異性抗體上，可以實現(xiàn)對癌細胞的高靈敏度檢測和定位，為癌癥的早期診斷提供了有力的工具。在藥物輸送方面，量子點可以作為藥物載體，將藥物精確地輸送到病變部位。通過對量子點表面進行修飾，可以使其具有靶向性，能夠特異性地結(jié)合到病變細胞表面，實現(xiàn)藥物的精準輸送。量子點還可以用于光熱治療。某些量子點在吸收特定波長的光后會產(chǎn)生熱效應(yīng)，利用這一特性，可以將量子點注入到腫瘤組織中，通過光照使其產(chǎn)生熱效應(yīng)，從而殺死腫瘤細胞，實現(xiàn)腫瘤的光熱治療。4.2量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建原理量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建基于范德華外延等原理，在二維材料表面生長量子點，形成獨特的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其構(gòu)建過程涉及多個復雜的物理化學過程和相互作用。范德華外延是量子點在二維材料表面生長的重要原理之一。二維材料具有層狀結(jié)構(gòu)，其表面沒有懸掛鍵，表面能低。在分子束外延的超高真空環(huán)境下，當具備閃鋅礦、纖鋅礦等穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的量子點材料原子沉積在二維材料表面時，為了使總自由能最小化，原子會傾向于裸露出更多襯底，同時將自身的原子更多地包裹進體內(nèi)，從而降低表面自由能，促使量子點的生長。在InAs量子點在石墨烯表面的生長過程中，InAs原子在石墨烯表面沉積時，由于石墨烯表面的低表面能特性，InAs原子會自發(fā)地聚集形成量子點，以降低系統(tǒng)的總自由能。這種生長模式使得量子點與二維材料之間通過較弱的范德華力相互作用結(jié)合在一起，形成范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的外延生長模式不同，范德華外延中襯底和量子點材料的晶格常數(shù)沒有嚴格的適配關(guān)系，這大大提高了襯底和量子點材料組合的自由度，使得更多種類的量子點能夠在不同的二維材料表面生長。在量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長過程中，量子點的成核與生長是一個關(guān)鍵階段。當量子點材料的分子束到達二維材料表面后，分子首先會被表面吸附。這些吸附的分子在二維材料表面具有一定的遷移能力，它們會在表面擴散，尋找合適的位置聚集。隨著吸附分子的不斷聚集，當原子團簇的尺寸達到一定臨界值時，就會形成穩(wěn)定的晶核。在這個過程中，二維材料的表面性質(zhì)對量子點的成核和生長有著重要的影響。二維材料的面內(nèi)對稱性會對量子點材料的晶格取向產(chǎn)生誘導作用。在h-BN表面生長InSb量子點時，h-BN的六方對稱性會誘導InSb量子點的晶格沿著h-BN的特定方向排列，從而影響量子點的生長取向和最終的晶體結(jié)構(gòu)。二維材料各異的表面性質(zhì)還為量子點的形貌調(diào)控提供了新的自由度。表面粗糙度、缺陷等因素會影響量子點的成核密度和生長速率，進而影響量子點的尺寸和形狀。在表面存在缺陷的二維材料上，量子點更容易在缺陷處成核，導致量子點的密度增加，尺寸分布可能會更加不均勻。量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面相互作用是影響異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能的重要因素。在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，量子點與二維材料之間的界面存在著電荷轉(zhuǎn)移和相互耦合等作用。量子點與二維材料之間的能級差異會導致電荷在界面處的轉(zhuǎn)移。在量子點/二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，當量子點的導帶能級低于二維材料的導帶能級時，電子會從二維材料轉(zhuǎn)移到量子點，形成界面電荷分布。這種電荷轉(zhuǎn)移會影響量子點和二維材料的電學和光學性質(zhì)。電荷轉(zhuǎn)移會改變量子點的能級結(jié)構(gòu)，進而影響量子點的發(fā)光特性。在量子點/二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電探測器中，界面電荷轉(zhuǎn)移可以促進光生載流子的分離和傳輸，提高探測器的響應(yīng)性能。量子點與二維材料之間還存在著弱的范德華相互作用和化學相互作用。范德華相互作用雖然較弱，但它對于維持異質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著重要作用?；瘜W相互作用則可能導致界面處形成化學鍵或發(fā)生化學反應(yīng)，影響界面的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。在某些情況下，界面處的化學相互作用可能會引入雜質(zhì)能級，影響異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學性能。4.3量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子束外延工藝在量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子束外延生長中，量子點材料和二維材料的選擇至關(guān)重要，直接決定了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能和應(yīng)用潛力。對于量子點材料，需要考慮其量子限域效應(yīng)、能級結(jié)構(gòu)以及光學和電學性質(zhì)等因素。以常見的III-V族化合物半導體量子點InAs為例，InAs具有較小的禁帶寬度和較大的電子有效質(zhì)量，其量子限域效應(yīng)顯著，能級結(jié)構(gòu)易于調(diào)控。在光電器件應(yīng)用中，InAs量子點能夠有效地吸收和發(fā)射近紅外光，其發(fā)光波長可通過尺寸精確調(diào)控，這使得InAs量子點在近紅外發(fā)光二極管、光電探測器等器件中具有重要的應(yīng)用價值。而在選擇二維材料時，需要考慮其與量子點材料的兼容性、晶格匹配度以及電學和光學性質(zhì)等因素。石墨烯作為一種典型的二維材料，具有超高的載流子遷移率和良好的導電性，與InAs量子點結(jié)合形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠為電荷傳輸提供高效的通道，提高異質(zhì)結(jié)構(gòu)在電子學器件中的性能。過渡金屬硫族化合物（TMDs）如MoS?、WSe?等，具有獨特的電學和光學性質(zhì)，與量子點結(jié)合后，在光電器件中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。MoS?具有直接帶隙，與量子點結(jié)合形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在光電探測器中能夠?qū)崿F(xiàn)對光信號的高效探測。生長順序是影響量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素之一。先生長二維材料，再在其表面生長量子點的順序，能夠利用二維材料的平整表面為量子點的生長提供良好的基底，有利于量子點的均勻成核和生長。在制備InAs量子點/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，先在襯底上生長高質(zhì)量的石墨烯薄膜，石墨烯的原子級平整表面能夠為InAs量子點的生長提供均勻的成核位點，使得InAs量子點在石墨烯表面能夠均勻分布，尺寸均勻性較好。先生長量子點，再覆蓋二維材料的順序，可能會導致量子點與二維材料之間的界面結(jié)合質(zhì)量較差，影響異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能。這種生長順序可能會使量子點表面的原子與二維材料原子之間的相互作用較弱，導致界面處存在較多的缺陷和應(yīng)力，影響電荷傳輸和光學性能。在某些特殊情況下，也可以采用交替生長的方式，即交替生長量子點層和二維材料層。這種生長方式可以精確控制量子點和二維材料的層數(shù)和厚度，實現(xiàn)對異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能的精細調(diào)控。在制備量子點/二維材料超晶格結(jié)構(gòu)時，通過交替生長量子點層和二維材料層，可以形成周期性的結(jié)構(gòu)，利用量子限域效應(yīng)和量子隧穿效應(yīng)，實現(xiàn)對電子和光子的精確操控，在量子器件中具有重要的應(yīng)用。生長速率匹配是實現(xiàn)高質(zhì)量量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長的關(guān)鍵工藝要點之一。量子點材料和二維材料的生長速率不匹配，可能會導致異質(zhì)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)應(yīng)力、缺陷等問題，影響異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能。在生長InAs量子點/MoS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，如果InAs量子點的生長速率過快，而MoS?的生長速率過慢，可能會導致InAs量子點在MoS?表面生長不均勻，量子點尺寸分布較寬，同時還可能在界面處產(chǎn)生較大的應(yīng)力，影響異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學和光學性能。為了實現(xiàn)生長速率匹配，需要精確控制分子束的流量和襯底溫度等工藝參數(shù)。通過調(diào)節(jié)分子束源爐的溫度，可以精確控制分子束的流量，從而實現(xiàn)對生長速率的精確控制。在生長InAs量子點時，通過精確調(diào)節(jié)In和As分子束源爐的溫度，控制In和As分子束的流量比，可以實現(xiàn)InAs量子點的化學計量比生長，同時控制其生長速率。襯底溫度也會影響生長速率，合適的襯底溫度可以提高分子在襯底表面的遷移能力，促進原子的有序排列，從而實現(xiàn)生長速率的匹配。在生長InAs量子點/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，通過精確控制襯底溫度，可以使InAs原子在石墨烯表面有足夠的遷移能力，實現(xiàn)InAs量子點的均勻生長，同時保證與石墨烯的良好界面結(jié)合。4.4量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備案例分析以InSb量子點在MoS?表面的范德華外延生長為例，這一過程充分展現(xiàn)了量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備的復雜性和獨特性。在制備過程中，首先要對MoS?襯底進行嚴格的預處理。MoS?具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，其表面原子排列規(guī)整，且沒有懸掛鍵，表面能低。為了確保InSb量子點能夠在MoS?表面高質(zhì)量生長，需要通過化學清洗和高溫退火等方法，去除MoS?表面的雜質(zhì)和氧化物，保證表面的清潔和平整。化學清洗可以使用有機溶劑和去離子水，去除表面的有機污染物和金屬雜質(zhì)；高溫退火則可以在高真空環(huán)境下進行，通過加熱使MoS?表面的原子重新排列，消除表面的缺陷和應(yīng)力。在生長過程中，利用分子束外延技術(shù)，將In和Sb原子束蒸發(fā)到MoS?表面。由于MoS?表面的低表面能特性，In和Sb原子在沉積過程中會傾向于聚集形成量子點，以降低系統(tǒng)的總自由能。在這個過程中，精確控制In和Sb分子束的流量和能量至關(guān)重要。通過調(diào)節(jié)分子束源爐的溫度，可以精確控制In和Sb分子束的流量比，從而實現(xiàn)InSb量子點的化學計量比生長。合適的分子束能量可以提高In和Sb原子在MoS?表面的遷移能力，促進原子的有序排列，有利于形成高質(zhì)量的量子點。如果分子束能量過高，可能會導致原子在表面的濺射，影響量子點的生長；而分子束能量過低，則可能導致原子遷移能力不足，使量子點的結(jié)晶質(zhì)量下降。襯底溫度也是影響InSb量子點在MoS?表面生長的重要因素。研究表明，合適的襯底溫度范圍通常在400-500℃之間。在這個溫度范圍內(nèi)，In和Sb原子具有足夠的能量在MoS?表面遷移和反應(yīng)，能夠形成尺寸均勻、結(jié)晶良好的量子點。如果襯底溫度過低，原子的遷移能力受限，可能會導致量子點尺寸分布不均勻，出現(xiàn)較多的缺陷；而如果襯底溫度過高，原子的脫附概率增加，不利于量子點的生長，還可能導致MoS?襯底的損傷。通過上述生長過程制備得到的InSb量子點/MoS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有獨特的形貌和尺寸特征。利用原子力顯微鏡（AFM）對異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形貌進行分析，可以清晰地觀察到InSb量子點在MoS?表面呈島狀分布，量子點的尺寸較為均勻，平均直徑在20-30nm之間。AFM圖像還顯示，量子點的高度也相對均勻，約為5-10nm。這種均勻的形貌和尺寸分布，得益于生長過程中對分子束流量、能量以及襯底溫度等參數(shù)的精確控制。高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）分析則可以進一步揭示InSb量子點的晶體結(jié)構(gòu)和與MoS?襯底的界面結(jié)構(gòu)。HRTEM圖像顯示，InSb量子點具有良好的晶體結(jié)構(gòu)，晶格條紋清晰，與MoS?襯底之間通過范德華力相互作用結(jié)合在一起，界面清晰，沒有明顯的缺陷和雜質(zhì)。InSb量子點/MoS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的性能特點。在電學性能方面，由于InSb量子點與MoS?之間的界面電荷轉(zhuǎn)移，使得異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學性能得到了顯著改善。通過測量異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電流-電壓特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)其具有良好的整流特性，整流比可達103以上。這種優(yōu)異的整流特性使得InSb量子點/MoS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)在二極管、晶體管等電子器件中具有潛在的應(yīng)用價值。在光學性能方面，InSb量子點的量子限域效應(yīng)使其具有獨特的光吸收和發(fā)射特性。光致發(fā)光光譜（PL）分析顯示，InSb量子點/MoS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)在近紅外區(qū)域具有較強的光致發(fā)光峰，發(fā)光波長可通過調(diào)節(jié)量子點的尺寸進行精確調(diào)控。這種近紅外發(fā)光特性使得異質(zhì)結(jié)構(gòu)在光通信、生物醫(yī)學成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。五、二維材料及量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能與表征5.1結(jié)構(gòu)表征方法X射線衍射（XRD）是一種廣泛應(yīng)用于表征二維材料及異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)，其原理基于X射線與晶體中原子的相互作用。當X射線照射到晶體上時，會與晶體中的原子發(fā)生散射，由于晶體中原子的規(guī)則排列，散射的X射線會發(fā)生干涉現(xiàn)象，形成特定的衍射圖案。根據(jù)布拉格定律，衍射角與晶體中原子平面間距以及X射線波長之間存在確定的關(guān)系。通過測量XRD圖譜中的衍射峰位置，可以精確計算出晶體的晶格參數(shù)，從而確定晶體的結(jié)構(gòu)類型和原子排列方式。對于石墨烯，XRD圖譜中通常會出現(xiàn)一個特征峰，對應(yīng)于石墨烯的（002）晶面，通過分析該峰的位置和強度，可以了解石墨烯的層數(shù)和結(jié)晶質(zhì)量。在研究量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，XRD可以用于確定量子點和二維材料的晶體結(jié)構(gòu)，以及它們之間的晶格匹配情況。在InAs量子點/GaAs二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，XRD可以檢測到InAs量子點和GaAs的特征衍射峰，通過比較兩者的峰位和強度，可以判斷InAs量子點在GaAs襯底上的生長情況，以及它們之間是否存在晶格失配等問題。透射電子顯微鏡（TEM）能夠提供二維材料及異質(zhì)結(jié)構(gòu)原子尺度的微觀結(jié)構(gòu)信息，是研究其原子排列和界面結(jié)構(gòu)的有力工具。在TEM中，高能電子束穿透樣品，與樣品中的原子相互作用，產(chǎn)生散射和衍射，通過對散射電子和衍射電子的成像和分析，可以獲得樣品的高分辨率微觀結(jié)構(gòu)圖像。在研究二維材料時，TEM可以直接觀察到二維材料的原子排列和晶格結(jié)構(gòu)。對于單層MoS?，TEM圖像可以清晰地顯示出其由Mo原子和S原子組成的六邊形晶格結(jié)構(gòu)，以及原子之間的鍵長和鍵角。在研究量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，TEM可以直觀地觀察量子點在二維材料表面的形貌、尺寸分布和界面結(jié)構(gòu)。在InSb量子點/MoS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，TEM圖像可以清晰地顯示出InSb量子點在MoS?表面呈島狀分布，量子點的尺寸較為均勻，并且可以觀察到量子點與MoS?襯底之間的界面結(jié)合情況，確定界面處是否存在缺陷和雜質(zhì)。高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）還可以獲得原子分辨率的圖像，用于研究量子點和二維材料的原子結(jié)構(gòu)和晶格匹配情況。通過HRTEM圖像，可以觀察到量子點和二維材料的晶格條紋，分析它們之間的晶格取向關(guān)系和晶格失配程度。掃描隧道顯微鏡（STM）是一種能夠在原子尺度上對材料表面進行成像和分析的技術(shù)，特別適用于研究二維材料的表面原子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)。STM的工作原理基于量子力學的隧道效應(yīng)。當一個尖銳的金屬探針與樣品表面之間施加一個偏置電壓時，如果探針與樣品表面的距離足夠小，電子會通過隧道效應(yīng)穿過探針與樣品之間的勢壘，形成隧道電流。隧道電流的大小與探針和樣品表面之間的距離以及樣品表面的電子態(tài)密度密切相關(guān)。通過精確控制探針在樣品表面的掃描位置，并測量隧道電流的變化，就可以獲得樣品表面的原子級分辨率圖像。在研究石墨烯時，STM可以清晰地觀察到石墨烯表面碳原子的六邊形排列結(jié)構(gòu)，以及表面的缺陷和雜質(zhì)。通過STM還可以測量石墨烯表面的電子態(tài)密度分布，研究其電學性質(zhì)。在研究量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，STM可以用于觀察量子點在二維材料表面的生長位置和原子排列情況。在量子點生長過程中，STM可以實時監(jiān)測量子點的成核和生長過程，了解量子點的生長機制。STM還可以用于研究量子點與二維材料之間的界面電子結(jié)構(gòu)，分析界面處的電荷轉(zhuǎn)移和相互作用。5.2電學性能表征四探針法是一種廣泛應(yīng)用于測量二維材料及異質(zhì)結(jié)構(gòu)電學性能的經(jīng)典方法。其基本原理基于物理學中的電流場理論。在四探針測試中，四個等間距的探針與被測材料表面均勻接觸。外側(cè)的兩個探針用于施加恒定電流，當電流通過材料時，會在材料內(nèi)部形成穩(wěn)定的電流場。內(nèi)側(cè)的兩個探針則用于測量電壓，由于電流場的存在，內(nèi)側(cè)探針之間會產(chǎn)生一定的電壓差。通過測量得到的電流和電壓值，結(jié)合探針間距和被測材料的幾何尺寸，就可以利用特定的公式計算出材料的電阻率。對于二維材料，由于其特殊的二維結(jié)構(gòu)，需要考慮其厚度對電阻率測量的影響。在測量石墨烯的電阻率時，由于石墨烯只有一個原子層厚度，其厚度的精確測量較為困難。通常采用間接的方法，如通過測量石墨烯的電阻和已知的幾何尺寸，結(jié)合理論模型來計算其電阻率。四探針法對于研究二維材料的電學傳輸特性具有重要意義。通過測量不同溫度、不同磁場下二維材料的電阻率，可以研究其電學性能隨外界條件的變化規(guī)律。在研究二維材料的量子輸運特性時，四探針法可以用于測量量子霍爾效應(yīng)。在低溫和強磁場條件下，二維材料中的電子會受到磁場的作用，形成朗道能級，導致其橫向電阻呈現(xiàn)出量子化的平臺。利用四探針法可以精確測量這種量子化的電阻平臺，從而深入研究二維材料的量子輸運特性?；魻栃?yīng)測量是研究二維材料及異質(zhì)結(jié)構(gòu)電學性能的重要手段之一，能夠提供載流子濃度和遷移率等關(guān)鍵信息。當電流通過置于磁場中的二維材料時，在垂直于電流和磁場的方向上會產(chǎn)生一個橫向電壓，這就是霍爾效應(yīng)。其原理是由于電子在磁場中受到洛倫茲力的作用，會在材料中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而在材料的兩側(cè)積累電荷，形成霍爾電場?；魻栯妶龅拇笮∨c載流子濃度、電流強度、磁場強度以及材料的幾何尺寸等因素有關(guān)。通過測量霍爾電壓，可以利用霍爾效應(yīng)公式計算出載流子濃度。在研究過渡金屬硫族化合物（TMDs）時，通過霍爾效應(yīng)測量可以確定其載流子類型（電子或空穴）以及載流子濃度。對于單層MoS?，霍爾效應(yīng)測量結(jié)果表明其在某些情況下表現(xiàn)為n型半導體，載流子濃度可以通過改變摻雜或外加電場等方式進行調(diào)控?；魻栃?yīng)測量還可以用于計算載流子遷移率。載流子遷移率是衡量載流子在材料中運動能力的重要參數(shù)，它與材料的電學性能密切相關(guān)。通過測量霍爾電壓和材料的電導率，可以計算出載流子遷移率。在研究量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，霍爾效應(yīng)測量可以用于研究量子點與二維材料之間的電荷轉(zhuǎn)移和相互作用。在InAs量子點/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，霍爾效應(yīng)測量結(jié)果顯示，由于InAs量子點與石墨烯之間的電荷轉(zhuǎn)移，導致石墨烯的載流子濃度和遷移率發(fā)生變化，從而影響異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學性能。通過場效應(yīng)晶體管（FET）特性測試，可以深入研究二維材料及異質(zhì)結(jié)構(gòu)在電子學器件應(yīng)用中的電學性能。場效應(yīng)晶體管是一種利用電場效應(yīng)來控制電流的半導體器件，它由源極、漏極和柵極組成。在二維材料場效應(yīng)晶體管中，二維材料通常作為溝道材料，通過在柵極上施加電壓，可以調(diào)控溝道中的載流子濃度，從而控制源極和漏極之間的電流。通過測量場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線（漏極電流與柵極電壓的關(guān)系曲線）和輸出特性曲線（漏極電流與漏極電壓的關(guān)系曲線），可以獲得二維材料的場效應(yīng)遷移率、亞閾值擺幅、開關(guān)比等重要參數(shù)。在研究黑磷場效應(yīng)晶體管時，通過轉(zhuǎn)移特性曲線可以觀察到黑磷的場效應(yīng)遷移率較高，開關(guān)比可達10?以上。這表明黑磷在高速電子器件中具有潛在的應(yīng)用價值。場效應(yīng)晶體管特性測試還可以用于研究量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學性能。在量子點修飾的二維材料場效應(yīng)晶體管中，量子點可以作為電子陷阱或發(fā)射體，影響溝道中的載流子傳輸。通過測試場效應(yīng)晶體管的特性，可以研究量子點與二維材料之間的電荷轉(zhuǎn)移和相互作用，以及量子點對器件性能的影響。在InSb量子點修飾的MoS?場效應(yīng)晶體管中，量子點的存在可以改變MoS?溝道中的載流子濃度和遷移率，從而影響器件的開關(guān)特性和電流傳輸能力。5.3光學性能表征光致發(fā)光光譜（PL）是研究二維材料及量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)光學性能的重要手段之一，能夠深入揭示材料的發(fā)光特性和激子效應(yīng)。當材料受到特定波長的光激發(fā)時，電子會從價帶躍遷到導帶，形成電子-空穴對。這些電子-空穴對在復合過程中會以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生光致發(fā)光現(xiàn)象。通過測量光致發(fā)光光譜，可以獲得材料的發(fā)光峰位置、強度和半高寬等信息，從而了解材料的電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)。對于二維材料，如單層MoS?，其光致發(fā)光光譜中通常會出現(xiàn)與激子復合相關(guān)的發(fā)光峰。由于單層MoS?具有直接帶隙，激子結(jié)合能較大，在室溫下仍能觀察到明顯的激子發(fā)光。通過分析PL光譜中激子發(fā)光峰的位置和強度，可以研究MoS?的帶隙特性、激子壽命以及缺陷對發(fā)光的影響。在生長過程中引入的硫空位等缺陷會導致激子非輻射復合增加，從而使光致發(fā)光強度降低。在量子點二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，光致發(fā)光光譜可以用于研究量子點與二維材料之間的相互作用。在InAs量子點/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，由于量子點與石墨烯之間的電荷轉(zhuǎn)移，會導致量子點的光致發(fā)光光譜發(fā)生變化。電荷轉(zhuǎn)移會改變量子點的能級結(jié)構(gòu)，使得光致發(fā)光峰的位置和強度發(fā)生移動。通過分析PL光譜的變化，可以了解量子點與二維材料之間的電荷轉(zhuǎn)移機制和相互作用強度。量子點的尺寸和密度也會影響光致發(fā)光光譜。隨著量子點尺寸的減小，量子限域效應(yīng)增強，光致發(fā)光峰向短波方向移動。量子點密度的增加可能會導致量子點之間的相互作用增強，從而影響光致發(fā)光光譜的形狀和強度。拉曼