1研究背景
二维材料中，自上而下的刻蚀与自下而上的生长密切相关，其刻蚀是从材料边缘和/或缺陷处移除原子。随着二维材料研究发展，多种刻蚀技术兴起，可控制造材料层数、图案形貌及纳米结构，用于制造功能器件与设备。以二维二硫化钼为例，通过刻蚀对其雕刻和减薄，能调控它的电学、光学、电催化性能，但在蚀刻过程中存在如材料应变等不确定因素，相关研究还需深入以更好地理解蚀刻机制，精准可控刻蚀图案，探索相关性能及应用。
2文章概述
有鉴于此，天津师范大学罗庇荣以及东南大学王俊嘉等人研究了化学气相沉积（CVD）二维二硫化钼（MoS2）单层在不同局部应变条件下的氧化刻蚀规律，揭示了局部应变依赖CVD MoS2的蚀刻行为，使得在不同应变的单层中形成不同的蚀刻图案。当CVD MoS2的局部拉伸应变低至约0.33%或更小时，呈现传统的三角形刻蚀坑（TEPs）；当局部拉伸应变高至约0.55%或更大时，形成均匀定向的六边形刻蚀通道（HECs）；而非均匀应变分布导致非均匀六边形混合平行刻蚀通道（HPECs）的形成。研究结果表明，局部应变的大小和平面分布显著影响CVD MoS2单层的氧化刻蚀模式，进而控制产生独特的刻蚀图案形态。该研究有助于加深对二维过渡金属硫族化合物（TMDs）的刻蚀与生长特性之间关系的理解，并为TMDs和其他二维材料的刻蚀-纳米结构化（或缺陷）工程铺平道路，这些材料在电催化和光电子领域具有潜在的应用前景。
3图文导读
图1 a) 不同应变CVD MoS2的氧化刻蚀示意图。b-d) 经过氧化刻蚀处理后，
不同刻蚀图案的应变CVD MoS2单层的典型的扫描电子显微镜（SEM）图像。
图2 a-c) 代表不同应变的CVD MoS2的拉曼光谱，分别对应TEPs、HECs和HPECs的蚀刻图案。上部的插入图示意性地显示了与E1 2g和A1g振动模式相对应的模式。d-f) 分别对应TEPs、HECs和HPECs蚀刻图案的CVD MoS2单层的E1 2g拉曼位移映射图。g-i) 分别对应TEPs、HECs和HPECs蚀刻图案的CVD MoS2单层的A 激子位移映射图。j-l) 分别对应TEPs、HECs和HPECs蚀刻图案的CVD MoS2的代表性PL光谱图。
图3 基于拉曼位移E1 2g的CVD MoS2单层的局部应变分析以及不同蚀刻图案对应的应变图。
图4 a) 低倍和b) 高倍SEM显微镜下的CVD MoS2单层晶体的蚀刻图案，蚀刻图案为均匀的HECs。c) HECs相对于MoS2边缘的取向直方图。d) 低倍和e) 高倍SEM显微镜下的CVD MoS2单层晶体的蚀刻图案，蚀刻图案为非均匀的HPECs。图d中的红色虚线三角形框强调了MoS2晶体中心和边缘区域的非均匀蚀刻图案。f) HPECs相对于MoS2边缘的取向直方图。g) 均匀HECs和非均匀HPECs蚀刻图案形成的示意图。图g和h中的浅蓝色点状圆圈代表S位点作为裂纹核。图g和h中的红色点状箭头强调了沿着锯齿状方向的裂纹传播。图g和h中的蓝色点状箭头强调了蚀刻通道的方向。图h中的粉红色背景颜色代表MoS2晶体边缘区域相对较小的应力分布。
图5 a) 不同局部拉伸应变区域界面氧化蚀刻过程的示意图。黑色虚线箭头表示蚀刻方向，虚线三角形框突出了蚀刻三角形坑的合并。b) 具有六边形混合平行刻蚀通道（HPECs）蚀刻图案的化学气相沉积（CVD）二硫化钼（MoS2）晶体的扫描电子显微镜（SEM）图像。c) 与图(b)中红色虚线矩形对应的放大SEM图像。d) 将具有HPECs蚀刻图案的CVD MoS2晶体转移到透射电子显微镜（TEM）网格上的SEM图像。e) 从图(d)获得的扫描TEM图像，显示出≈120°的分支蚀刻通道。f) 蚀刻ZZ Mo主导边缘的高倍扫描TEM图像。图(f)中的插图显示了与基面相对应的相应选区电子衍射（SAED）图案。
图6 a) 三电极测量系统中微电化学电池的照片。b) 化学气相沉积（CVD）二硫化钼（MoS2）单层代表性微器件的光学图像，具有HECs的蚀刻图案。c) 无和有不同蚀刻图案的CVD MoS2单层微器件的线性扫描伏安法（LSV）曲线，以及d) 相应的Tafel图。
4结论
研究团队通过氧化刻蚀手段展示了CVD MoS2单层中局部应变依赖的氧化刻蚀模式与独特的刻蚀图案，并证明了具有应变依赖刻蚀图案的MoS2单层展现出与刻蚀图案相关的电催化性能。刻蚀图案的形成机制是建立在局部应变相关的裂隙传播动力学和各向异性氧化刻蚀动力学的交互作用的基础上。研究不仅揭示了CVD MoS2的内在局部应变依赖刻蚀行为，而且可为其他二维材料的不同刻蚀图案的形成机制提供借鉴。此外，这种方法为基于应变工程控制的二维材料刻蚀纳米结构化（或缺陷）工程铺平了道路，并为探索其在电催化和光电子领域的潜在应用提供了一个有前景的平台。
论文信息：
Local Strain-Dependent Etching Patterns of Chemical Vapor Deposited Molybdenum Disulfide
Birong Luo*, Rongnan Wang, Tianxiang Zhao, Linfeng Li, Qi Chen, Pengcheng Wang, Junjia Wang*, Qing Han, Ying Zhang, Bo Zhang, Dejun Li
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202400770
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