臭氧在二维材料（MoS₂、h-BN）生长与表面活化中的作用：机理、工艺与表征

臭氧在二维材料（MoS₂、h-BN）生长与表面活化中的作用：机理、工艺与表征

一、摘要（Abstract）

臭氧 (O₃) 因其高氧化性与在低温下提供活性氧的能力，正成为二维材料制备与后处理中的重要工具。本文系统总结 O₃ 在 CVD/管式炉生长、后退火、表面功能化与缺陷工程中的作用机理，给出面向 MoS₂ 与 h-BN 的可复现实验流程（含温度、浓度、流量、停留时间）、表征方法（Raman、XPS、AFM、TEM）与安全建议，并列出常见问题与解决方案，便于科研用户在实验中安全高效地引入臭氧步骤。

二、背景与研究动机

二维材料（如 MoS₂、WS₂、h-BN、graphene 等）在电子、光学与催化等方向展现出卓越性能。制备与后处理环节对材料缺陷、化学计量比与界面态有决定性影响。相比纯 O₂ 处理，臭氧能在更低温下提供更高活性氧（O·）密度，有助于：

• 修复硫空位（S vacancy），提高 MoS₂ 电子迁移率；

• 引入可控氧官能团以改善界面粘附与化学活性；

• 在低温下实现薄膜氧化或有机残留清除，降低热损伤风险。

三、O₃ 的化学机理简述

在绝大多数实验条件下，臭氧主要通过两类路径影响二维材料：

1.直接 O₃ 分子作用：低温（通常 < 200°C）时 O₃ 可与表面活性位点发生直接反应，插入氧官能团或氧化金属中心。

2.分解生成的活性氧原子（O·）：当温度升高或在催化表面存在时，O₃ 分解为 O·，其氧化能力更强但寿命极短，往往只对接近生成点的表面发生作用。

因此，O₃ 的“注入位置（温度场）”与“瞬时浓度/流量”对于实现所需改性至关重要。

四、实验设计要点（针对 MoS₂ 与 h-BN）

4.1 适用场景

CVD 生长后低温表面活化/去残留（典型温度 80–200°C）；

脉冲式臭氧处理用于缺陷调控（秒级–分钟级）；

作为刻蚀/功能化手段，在受控条件下引入氧化或官能团而不破坏晶格。

4.2 建议设备与气路

建议在管式炉或 CVD 系统外部侧注臭氧，气路包括：

载气 (N2 / Ar) --> 臭氧发生器 --> 稀释 MFC --> 注入阀 --> 管式炉样品腔（侧向或环流注入）

                                              |

                                          单向阀（防回流）

                                              |

                                         尾气分解器 --> 排风  

材质：非高温区使用 PTFE/FEP 管；高温区使用石英或刚玉管；阀门建议选金属阀或 PTFE 衬里阀。

4.3 推荐工艺参数（可复现模板）

五、表征方法与判断标准

每次处理后建议按下列顺序表征并记录：

1.Raman：关注 MoS₂ 的 E2g 与 A1g 峰位置与 D 峰（若有）强度变化；Graphene 查看 D/G 强度比。

2.XPS：定量测 O/S 或 O/B 元素比变化可判断氧化程度及化学态。

3.AFM / SEM：观察表面粗糙度与形貌变化（刻蚀或团聚迹象）。

4.电学/光学测试：器件层面评估迁移率、载流子浓度与光致发光强度变化。

六、典型实验流程（示例）

示例：MoS₂ 薄膜的低温 O₃ 功能化

在惰性气体下将样品送入管式炉并加热至 100°C，稳定 10 min。

启用臭氧发生器，设定瞬时输出并由上游稀释 MFC 将浓度调至 5 ppm，载气流量 150 sccm。

采用脉冲注入（30 s 注入 + 90 s N₂ 吹扫）循环 3 次。

结束后以 N₂ 吹扫 10 min 以移除残留臭氧，冷却至室温后取出样品并进行 XPS/Raman 表征。

七、安全注意事项与尾气处理

臭氧为刺激性、有毒气体，且具有强氧化性。科研环境必须满足：负压排风、在线臭氧监测（建议 UV 吸收式.如北京同林科技生产的3S-J5000臭氧检测仪）、尾气分解器（热/催化，工作温度 250–350°C）与单向阀防回流。禁止将 O₃ 与 H₂ 或可燃蒸汽混合。

实用建议：先在小片样上做参数扫描（温度、浓度、时间），记录所有原始数据与样品编号；对照表征结果建立工艺数据库，逐步形成可复现流程。