【摘要】 电子能量损失谱研究揭示h-BN封装通过固定化学吸附氧分子实现WS₂缺陷钝化，显著提升激子寿命与谷极化强度，为二维半导体器件开发提供新技术方案。

电子能量损失谱（EELS）技术最新研究发现，六方氮化硼（h-BN）封装可有效钝化二维半导体材料缺陷。本文通过实验数据揭示h-BN如何通过固定化学吸附氧分子，显著提升单层WS₂晶体光电性能。

 

实验发现：h-BN封装的氧分子固定效应

图1显示，h-BN封装的WS₂在538eV和556eV处出现特征峰，而裸WS₂和纯h-BN样品无氧信号。结合图S9（支持信息）证实，h-BN层通过范德华力将氧分子稳定在WS₂缺陷位点。

通过空间分辨率为1Å的EELS元素分布图（图1b-e）发现，氧信号呈随机离散分布，强度显著低于硼、氮等元素，印证氧分子特异性吸附于WS₂晶格缺陷的理论模型。

图1 氢氮化硼包封WS2、裸WS2和氢氮化硼薄片晶体的氧k边EELS光谱。b -e)硼(b)、氮(c)、氧(d) k边和硫(e) l边的EELS图。

 

化学吸附机制的光谱学证据

理论计算与实验光谱（图2）显示，h-BN封装样品与化学吸附氧模型的峰位高度吻合。其中：

  • 538eV（A峰）：对应氧分子与钨原子的杂化反键轨道
  • 556eV（B峰）：源于氧-硫协同作用的连续带跃迁

值得注意的是，化学吸附使530eV物理吸附特征峰消失（图2红虚线），表明h-BN封装诱导了键序重构。插入的轨道分布图（alt="化学吸附氧分子轨道重构示意图"）显示，缺陷位点的电荷重排有效抑制了π键杂化。

 

图2 原始WS2上物理吸附氧分子的计算氧k边EELS谱?2(?)

 

缺陷钝化的性能提升

h-BN封装体系展现出显著优势：

1.自由电子密度降低2个数量级

2.激子湮灭率下降90%

3.谷极化强度提升40%（高激发条件）

4.环境稳定性增强（温度/湿度耐受性提高）

实验排除了氧分子存在于界面褶皱的可能性，证实缺陷钝化源于h-BN对化学吸附氧分子的空间限域效应。

 

技术应用前景

该发现为二维半导体器件开发提供新思路：
✅ 高稳定性光电探测器
✅ 低功耗场效应晶体管
✅ 量子信息存储器件
✅ 柔性电子封装技术

研究团队指出，h-BN/WS₂体系展示的"封装-钝化"协同机制，可拓展至MoS₂、WSe₂等其他过渡金属硫族化合物体系（Adv. Sci. 2024, 2310197）。

 

[1] J.-W. Jung, H.-S. Choi, Y.-J. Lee, Y. Kim, T. Taniguchi, K. Watanabe, M.-Y. Choi, J. H. Jang, H.-S. Chung, D. Kim, Y. Kim, C.-H. Cho, Defect Passivation of 2D Semiconductors by Fixating Chemisorbed Oxygen Molecules via h-BN Encapsulations. Adv. Sci. 2024, 2310197. https://doi.org/10.1002/advs.202310197

 

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