光学-原子力联用系统在二维材料研究中的应用之二

在文章《光学-原子力联用系统在二维材料研究中的应用初探》中，我们展示了富睿思桌面型超薄测头原子力显微镜AFM-Piccolo和反射差分光谱显微镜（RDM）在二维材料研究中的初步联用效果，本文将呈现基于该系统获得的一组有趣数据。

多种二维材料的堆叠是构建器件的典型方式。本次实验中我们通过数次干法转移在镀有金膜的二氧化硅衬底上制作了一个由MoS₂和MoO₃组成的三层堆叠结构。其中位于最底层紧贴金表面的是一片宽度近百微米、厚约13 ~ 15 nm的MoS₂，中间层和最上层分别是厚度55 nm左右和170 nm左右的两片相互交叠的带状MoO₃。

图1 左：光学图像；右：AFM图像

图1给出了该样品的原子力显微镜（AFM）形貌图像和原位光学图像。

我们首先利用AFM-Piccolo的KPFM模式对三层堆叠区域进行了表面势测量。须说明的是，KPFM直接测量的是针尖与样品的接触电势差，AFM-Piccolo在用户给定参考电势后，会自动将接触电势差转换成样品的表面势或功函数输出。

图2 三级堆叠结构的AFM表征

（左：形貌；右：表面势）

图2给出的结果显示，两片交叠的MoO₃具有相同的表面势，而MoS₂的表面势则和金基底一致。成像区域内MoS₂的表面势均值比MoO₃高约0.07 eV，MoS₂表面势图像中可以观察到与该材料常见晶粒岛形态类似的三角形图案。上述结果在连续数小时重复扫描过程中保持稳定，可排除是材料表面吸附静电荷造成的假象。

理想情况下，KPFM模式测出的表面势即为材料的功函数。文献中MoO₃、MoS₂和Au的功函数关系应为Φ(MoO₃)>Φ(Au)>Φ(MoS₂)，本实验结果显然与之矛盾，表明此处测得的表面势并非MoO₃和MoS₂的本征功函数。我们推测MoS₂表面势与Au相同的原因可能是MoS₂被衬底注入了大量电子，和Au形成了费米能级对齐；而MoO₃表面势显著低于其功函数典型值则可能是干法转移带来的表面污染或者材料缺陷所致。

为进一步判断MoO₃表面势测量结果偏离理论值的原因，我们利用AFM-Piccolo的纳米操纵功能对叠堆结构顶层和中层的MoO₃ 进行了局部减薄操作，通过针尖的机械切削分别在三层交叠和无交叠区域各去除了数十纳米厚的表层材料，使此前被遮盖的下层表面得以露出。随后我们再次使用KPFM模式对样品进行了扫描。

图3 局部切削后的AFM测量结果

（左：形貌；右：表面势。箭头所指为探针加工处）

从图3所示的结果中可以看到，揭去顶层MoO₃后暴露的新鲜中层MoO₃ 表面具有和原顶层MoO₃相近的表面势，而从中层MoO₃破口处露出的Au衬底亦和其他区域衬底表面势相同。该实验表明，MoO₃功函数的下降并非仅出现在表层，因而不是材料转移过程残留于表面的聚合物污染所致，更为可能的原因是MoO₃的氧空位效应带来的材料N型化以及空气中的水分子插入MoO₃层间引起的能带结构变化。

图4 四个点位的RDM偏振扫描结果

（A. Au衬底上的顶层MoO₃；B. Au衬底上的中层MoO₃；C. Au衬底上的MoS₂；D. MoS₂上的MoO₃ ）

图4给出了切削操作后原位RDM表征数据。理论上，MoO₃具有显著的光学各向异性特征，而MoS₂则近似为各向同性，MoO₃和MoS₂的交叠处也应表现为各向异性。RDM系统在图中A、B、C、D四个点位的偏振扫描结果与理论预期完全相符。

这一实验再次展示了富睿思桌面型超薄测头原子力显微镜AFM-Piccolo在联用方面的潜力，它使得光、机、电等多种物性的原位表征以及纳米精度的原位加工和操纵变得简单易行。

上述实验中的二维材料及RDM数据由天津大学精仪系胡春光、沈万福团队博士生王瑞彤、硕士生李业勤提供，两位同学与富睿思共同完成了全部AFM实验。更多联用案例将持续推送，欢迎关注。