臭氧在二維材料（MoS?、h-BN）生長與表面活化中的作用：機理、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。本文系統總結 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理，給出面向 MoS? 與 h-BN 的可復現實驗流程（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，便于科研用戶在實驗中安全高效地引入臭氧步驟。

二、背景與研究動機

二維材料（如 MoS?、WS?、h-BN、graphene 等）在電子、光學與催化等方向展現出卓越性能。制備與后處理環節對材料缺陷、化學計量比與界面態有決定性影響。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：

• 修復硫空位（S vacancy），提高 MoS? 電子遷移率；

• 引入可控氧官能團以改善界面粘附與化學活性；

• 在低溫下實現薄膜氧化或有機殘留清除，降低熱損傷風險。

三、O? 的化學機理簡述

在絕大多數實驗條件下，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? 可與表面活性位點發生直接反應，插入氧官能團或氧化金屬中心。

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

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

四、實驗設計要點（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而不破壞晶格。

4.2 建議設備與氣路

建議在管式爐或 CVD 系統外部側注臭氧，氣路包括：

載氣 (N2 / Ar) --> 臭氧發生器 --> 稀釋 MFC --> 注入閥 --> 管式爐樣品腔（側向或環流注入）

                                              |

                                          單向閥（防回流）

                                              |

                                         尾氣分解器 --> 排風  

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

4.3 推薦工藝參數（可復現模板）

五、表征方法與判斷標準

每次處理后建議按下列順序表征并記錄：

1.Raman：關注 MoS? 的 E2g 與 A1g 峰位置與 D 峰（若有）強度變化；Graphene 查看 D/G 強度比。

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態。

3.AFM / SEM：觀察表面粗糙度與形貌變化（刻蝕或團聚跡象）。

4.電學/光學測試：器件層面評估遷移率、載流子濃度與光致發光強度變化。

六、典型實驗流程（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，穩定 10 min。

啟用臭氧發生器，設定瞬時輸出并由上游稀釋 MFC 將濃度調至 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 3 次。

結束后以 N? 吹掃 10 min 以移除殘留臭氧，冷卻至室溫后取出樣品并進行 XPS/Raman 表征。

七、安全注意事項與尾氣處理

臭氧為刺激性、有毒氣體，且具有強氧化性。科研環境必須滿足：負壓排風、在線臭氧監測（建議 UV 吸收式.如北京同林科技生產的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。

實用建議：先在小片樣上做參數掃描（溫度、濃度、時間），記錄所有原始數據與樣品編號；對照表征結果建立工藝數據庫，逐步形成可復現流程。