Small Methods 高效构筑二维TMD纳米结构新途径:气体辅助聚焦离子束诱导刻蚀新方法

近年来,二维材料因其优异性能倍受关注,纳米尺度结构二维材料又可带来更为丰富特性。如二维材料纳米带结构,其边缘特性增加会衍生出众多奇异性能,非常有利于拓展二维材料的应用领域。

具有高分辨率成像和纳米级合成精度的聚焦氦离子显微技术(HIM)是纳米结构构建重要手段。然而在刻蚀过程中,由于氦离子质量小,在目标材料上的刻蚀效率低,过程中还会有横向和纵向产生一定能量损失,造成材料下表面产生缺陷和基底膨胀。此外,在预曝光区域周围的反向散射氦离子和反冲原子都会限制曝光实际图形的分辨率。尤其在对二维材料进行图形化的过程中,小剂量反向散射氦离子和反冲原子会诱导材料表面形成缺陷,严重影响二维材料性能。

聚焦离子束诱导刻蚀(FIBIE)可以非常方便地依据预设扫描图案以直写的方式对材料进行刻蚀。过程中,引入前驱气体来辅助溅射,分子吸附和解吸附可通过控制气体通量和停滞时间来达到平衡。吸附时,前驱气体可以通过与反向散射离子等进行非弹性碰撞将其解离成自由基物质。解离出的自由基物质与基板附近的原子就会形成挥发性的副产物,副产物会通过解吸附排出系统。FIBIE在离子到固体的动量传递过程,可显著提升刻蚀效率。

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近日,美国田纳西大学材料科学与工程系一研究小组提出一种全新的基于气体辅助FIBIE技术将WSe2刻蚀成纳米带结构,并对该纳米带进行了系列研究。实验过程中,采用XeF2作为前驱气体来辅助FIBIE过程。氦离子入射将XeF2进行解离,产生氟自由基和挥发性的WFx和SeFx副产物,同时有效地提高了刻蚀率。基于该技术,成功获得宽度小于10 nm分辨率WSe2纳米带。针对该纳米带的拉曼光谱分析表明,纳米带呈现出对偏振光源角度依赖的各向异性特性; WSe2纳米带场效应特性也表现出典型的双极型特征。上述材料物性研究结果表明,气体辅助FIBIE方法是构建二维材料纳米结构的有效途径。

上述工作,为二维材料过渡金属硫族化合物纳米结构制备提供了新方法,同时也为研究此类二维材料的磁-光-电等奇异效应提供了新途径。相关文章发表在Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201600060)上。

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