本研究报告介绍由Gui-Sheng Zeng（台湾仪器科技研究中心，国家实验研究院）与Sheng-Hui Chen（国立中央大学光电科学与工程学系）团队发表的研究成果。该论文于2025年发表在《Vacuum》期刊第233卷，标题为”Half 4-inch wafer-scale 2D MoS2 with high uniformity direct bandgap grown using ion beam sputtering and vulcanization”，文献编号113895。

【学术背景】 随着晶体管制造工艺的发展，硅材料在纳米尺度表现出显著的量子效应和短沟道效应，导致器件关断困难。二维材料因其独特的电学特性成为替代硅的潜在候选材料。其中，二硫化钼（MoS2）单层具有1.9 eV的直接带隙，其晶体管表现出高开关电流比。然而传统制备方法如机械剥离法难以控制层数，化学气相沉积法（CVD）存在气体分布不均问题。本研究旨在开发通过离子束溅射（ion beam sputtering）和硫化工艺制备大面积、高均匀性直接带隙MoS2薄膜的新方法。

【研究方法与流程】 研究流程分为两大阶段：钼薄膜沉积和硫化反应。在蓝宝石(0001)衬底上，使用纯度99.99%的钼靶，通过离子束溅射系统沉积钼薄膜。离子源参数设置为：氩气流速5.5 sccm，束电压500 V，束电流40 mA。沉积时间为8-20秒，对应薄膜厚度0.8-2.2 nm（通过原子力显微镜测量确认）。创新性地采用双温区硫化装置：上游加热区（区2）放置硫粉（140℃），下游加热区（区1）放置样品，间距35 cm。在700-1000℃范围内进行硫化反应，最优温度确定为1000℃。

表征手段包括： 1. 拉曼光谱（BWII Ramaker系统）：使用532 nm激光，通过E12g和A1g峰间距（Δk）分析层数 2. 光致发光谱（PL）和紫外-可见-近红外分光光度计：测定1.86 eV的直接激子跃迁能量 3. 掠入射X射线衍射（GIXRD，Bruker D8 Advance）：分析2H相MoS2的(0002)晶面（14°特征峰） 4. X射线光电子能谱（XPS，ULVAC-PHI Quantera II）：采用4.09 eV功函数校准碳污染峰

【关键结果】 1. 厚度控制：沉积时间15秒获得1.6 nm钼膜，硫化后Δk为22.8 cm-1，XPS测得Mo:S原子比1:2.04 2. 温度优化：1000℃硫化样品显示出最窄的半高宽（FWHM），拉曼信号强度提升300%以上 3. 大面积均匀性：在2英寸蓝宝石衬底上制备的样品，7个测试点Δk均为21.4 cm-1，偏差<0.5% 4. 带隙特性：1.0 nm钼膜样品显示667.2 nm（1.86 eV）的PL峰，与吸收谱615/661 nm峰位吻合，证实直接带隙特性

【结论与价值】 该研究突破性地将离子束溅射技术应用于二维材料制备，实现了： 1. 工艺创新：开发出可精确控制膜厚（埃级）的大面积沉积技术 2. 质量控制：硫化温度1000℃时获得结晶质量最佳的MoS2 3. 规模潜力：证明可扩展至4英寸晶圆级生产 其科学价值在于为二维材料生长提供新的物理气相沉积范式，应用价值体现在未来可替代硅基晶体管的工业生产路径。

【研究亮点】 1. 首创性：首次实现离子束溅射制备晶圆级MoS2 2. 精准控制：通过沉积时间精确调控Δk值（R²=0.98） 3. 表征创新：采用功函数校准XPS数据，解决传统碳校准误差问题 4. 产业兼容：工艺参数与现有半导体产线兼容

【补充发现】 研究中发现MoS2层数增加会导致导带与价带错位，当厚度超过2.2 nm时出现间接带隙转变，这一现象为二维材料能带工程提供了新依据。团队还证实该技术可延伸至8-12英寸衬底，为后续产业化奠定基础。