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二維(2D)材料具有優異的電學、力學、熱學和光學性能,近年來成為一個重要的研究領域。石墨烯、硅烯、鍺烯、磷烯、六方氮化硼(hBN)以及MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、ReSe2和InSe2等TMDCs多種二維材料已被成功合成并表征。研究表明,二維材料的性能與生長和生長后修飾(如功能化、摻雜和蝕刻)過程密切相關。因此,先進的合成和加工技術為實現理想的定制性能開辟了新的維度,這將加速這些材料在各種應用中的實現。

等離子體是物質的第四種狀態,包括在低壓或常壓下產生的電子、離子、中性、激子、自由基和受激分子等多種物質。這些等離子體比基態原子或分子的反應性更強,因此在以節能和成本效益的方式合成和修飾納米材料方面顯示出巨大的潛力。

等離子體也為處理二維材料提供了機會,這遠遠超出了新型納米材料結構的發展。等離子體輔助修飾是通用的,包括化學功能化、雜原子摻雜、帶隙調諧、蝕刻和表面潤濕性控制。由于等離子體中存在的獨特物質,這些過程成為可能,這些物質促進了通過傳統的熱處理或溶液處理不容易實現的反應。此外,等離子體修飾可以就地實現,即在納米材料合成過程中,或非原位,即通過合成后的程序。因此,等離子體是一種簡單、有效、適應性廣泛的技術,可以修改和改善二維材料的結構和性能,從而更好地滿足現代工業的要求。

等離子體清洗是將二維材料表面處理轉化或者摻雜形成需要的材料的方式之一。等離子體是一種物質狀態,通過高壓電源在特定壓力環境下向氣體施加充分能量形成。這種狀態包括高速移動的電子、激活的中性原子和分子、自由基以及離子化的原子和分子,還有未反應的原子和分子,盡管這些組成部分具有各種電荷,整體上物質保持電中性。等離子清洗設備原理圖如圖1所示。

使用等離子體清洗主要對二維材料的轉化和摻雜有如下作用:

(一) 在物理反應中,等離子體內的多種活性粒子,如離子、激發態分子和自由基,通過純物理撞擊作用移除或改變材料表面的原子,產生刻蝕作用,提升材料的表面粗糙度,增大氧空位密度或摻雜需要的氣體雜質離子。

從氧空位的角度來看,氧空位不僅能夠提高材料的導電性,還能降低雜原子進入晶格所需的能量,從而促進陰離子摻雜。研究表明,等離子體處理不僅會導致氧空位的形成,還能夠直接促進雜質摻雜的過程。雜原子嵌入晶格后會影響材料的費米能級和局部電子密度分布,這種變化往往與多個缺陷共同作用,使得材料的綜合性能顯著提升。

(二) 在化學反應過程中,常用的氣體如H2、O2、CF4和NH3在等離子清洗設備內被轉化為高活性的自由基,進而在材料表面引發化學變化。

等離子清洗作為一種在二維層狀材料性能改性研究中普遍使用的技術,通過調節射頻功率、反應氣體類型及處理時長等參數,可對二維材料的性能進行有效調節。與傳統的蝕刻和燒結方法相比,等離子體技術在材料改性方面具有更顯著的修飾效果。