臭氧在二維材料（MoS?、h-BN）生長與表面活化中的作用：機(jī)理、工藝與表征

一、摘要（Abstract）

臭氧 (O?) 因其高氧化性與在低溫下提供活性氧的能力，正成為二維材料制備與后處理中的重要工具。本文系統(tǒng)總結(jié) O? 在 CVD/管式爐生長、后退火、表面功能化與缺陷工程中的作用機(jī)理，給出面向 MoS? 與 h-BN 的可復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)流程（含溫度、濃度、流量、停留時間）、表征方法（Raman、XPS、AFM、TEM）與安全建議，并列出常見問題與解決方案，便于科研用戶在實(shí)驗(yàn)中安全高效地引入臭氧步驟。

二、背景與研究動機(jī)

二維材料（如 MoS?、WS?、h-BN、graphene 等）在電子、光學(xué)與催化等方向展現(xiàn)出卓越性能。制備與后處理環(huán)節(jié)對材料缺陷、化學(xué)計量比與界面態(tài)有決定性影響。相比純 O? 處理，臭氧能在更低溫下提供更高活性氧（O·）密度，有助于：

• 修復(fù)硫空位（S vacancy），提高 MoS? 電子遷移率；

• 引入可控氧官能團(tuán)以改善界面粘附與化學(xué)活性；

• 在低溫下實(shí)現(xiàn)薄膜氧化或有機(jī)殘留清除，降低熱損傷風(fēng)險。

三、O? 的化學(xué)機(jī)理簡述

在絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)條件下，臭氧主要通過兩類路徑影響二維材料：

1.直接 O? 分子作用：低溫（通常 < 200°C）時 O? 可與表面活性位點(diǎn)發(fā)生直接反應(yīng)，插入氧官能團(tuán)或氧化金屬中心。

2.分解生成的活性氧原子（O·）：當(dāng)溫度升高或在催化表面存在時，O? 分解為 O·，其氧化能力更強(qiáng)但壽命極短，往往只對接近生成點(diǎn)的表面發(fā)生作用。

因此，O? 的“注入位置（溫度場）”與“瞬時濃度/流量”對于實(shí)現(xiàn)所需改性至關(guān)重要。

四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計要點(diǎn)（針對 MoS? 與 h-BN）

4.1 適用場景

CVD 生長后低溫表面活化/去殘留（典型溫度 80–200°C）；

脈沖式臭氧處理用于缺陷調(diào)控（秒級–分鐘級）；

作為刻蝕/功能化手段，在受控條件下引入氧化或官能團(tuán)而不破壞晶格。

4.2 建議設(shè)備與氣路

建議在管式爐或 CVD 系統(tǒng)外部側(cè)注臭氧，氣路包括：

載氣 (N2 / Ar) --> 臭氧發(fā)生器 --> 稀釋 MFC --> 注入閥 --> 管式爐樣品腔（側(cè)向或環(huán)流注入）

                                              |

                                          單向閥（防回流）

                                              |

                                         尾氣分解器 --> 排風(fēng)  

材質(zhì)：非高溫區(qū)使用 PTFE/FEP 管；高溫區(qū)使用石英或剛玉管；閥門建議選金屬閥或 PTFE 襯里閥。

4.3 推薦工藝參數(shù)（可復(fù)現(xiàn)模板）

五、表征方法與判斷標(biāo)準(zhǔn)

每次處理后建議按下列順序表征并記錄：

1.Raman：關(guān)注 MoS? 的 E2g 與 A1g 峰位置與 D 峰（若有）強(qiáng)度變化；Graphene 查看 D/G 強(qiáng)度比。

2.XPS：定量測 O/S 或 O/B 元素比變化可判斷氧化程度及化學(xué)態(tài)。

3.AFM / SEM：觀察表面粗糙度與形貌變化（刻蝕或團(tuán)聚跡象）。

4.電學(xué)/光學(xué)測試：器件層面評估遷移率、載流子濃度與光致發(fā)光強(qiáng)度變化。

六、典型實(shí)驗(yàn)流程（示例）

示例：MoS? 薄膜的低溫 O? 功能化

在惰性氣體下將樣品送入管式爐并加熱至 100°C，穩(wěn)定 10 min。

啟用臭氧發(fā)生器，設(shè)定瞬時輸出并由上游稀釋 MFC 將濃度調(diào)至 5 ppm，載氣流量 150 sccm。

采用脈沖注入（30 s 注入 + 90 s N? 吹掃）循環(huán) 3 次。

結(jié)束后以 N? 吹掃 10 min 以移除殘留臭氧，冷卻至室溫后取出樣品并進(jìn)行 XPS/Raman 表征。

七、安全注意事項(xiàng)與尾氣處理

臭氧為刺激性、有毒氣體，且具有強(qiáng)氧化性。科研環(huán)境必須滿足：負(fù)壓排風(fēng)、在線臭氧監(jiān)測（建議 UV 吸收式.如北京同林科技生產(chǎn)的3S-J5000臭氧檢測儀）、尾氣分解器（熱/催化，工作溫度 250–350°C）與單向閥防回流。禁止將 O? 與 H? 或可燃蒸汽混合。

實(shí)用建議：先在小片樣上做參數(shù)掃描（溫度、濃度、時間），記錄所有原始數(shù)據(jù)與樣品編號；對照表征結(jié)果建立工藝數(shù)據(jù)庫，逐步形成可復(fù)現(xiàn)流程。