基于液态前驱体CVD的2英寸MoS₂晶圆p型V/Nb替位掺杂及高性能器件

p-type V and Nb substitutional doping of 2-inch MoS₂ wafer via liquid-precursor CVD for high-performance device

摘要

替位掺杂是调控单层二硫化钼（MoS₂）电子性质的有效策略，但由于其本征n型特性以及由本征缺陷和界面态引起的强费米能级钉扎效应，实现稳定的p型掺杂仍然具有挑战性。本研究通过液体前驱体化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）方法，利用可调前驱体比例成功制备了V与Nb掺杂的单层MoS₂，并通过替位受主型掺杂实现有效的p型调控。电学测试结果表明，器件阈值电压发生明显正向移动，电子浓度显著降低，其中1∶1 Nb-MoS₂器件表现出最强调控效果，电子浓度由1.33×10¹² cm⁻²降至2.19×10¹¹ cm⁻²，约下降83.53%，但整体仍保持n型输运特性，未发生极性反转，表明其主要表现为受主型调制行为。值得注意的是，Nb掺杂相比V掺杂表现出更高的p型调控效率。此外，通过整合拉曼与光致发光（Photoluminescence，PL）响应特征（包括A{}_{\mathrm{1}\mathrm{g}}^{}峰红移、PL峰红移、强度淬灭以及半高宽展宽），我们建立了光学参数变化（作为掺杂程度的间接表征）与电子浓度变化（作为掺杂效应量化指标）之间的定量关联，为评估单层MoS₂中的p型掺杂调控提供了可靠依据。

Abstract

Substitutional doping is an effective strategy for tuning the electronic properties of monolayer molybdenum disulfide （MoS₂）. However， due to its intrinsic n-type nature and the strong Fermi-level pinning induced by native defects and interfacial states， achieving stable p-type modulation remains challenging. In this work， monolayer MoS₂ doped with V and Nb was successfully synthesized via a liquid-precursor chemical vapor deposition （CVD） approach， where the doping level was precisely tuned by adjusting the precursor ratios. p-type modulation was achieved through substitutional incorporation of V and Nb atoms. Electrical measurements reveal a pronounced positive shift in the threshold voltage accompanied by a significant reduction in electron concentration. In particular， the 1∶1 Nb-MoS₂ device exhibits the most pronounced modulation effect， with the electron concentration decreasing from 1.33×10¹² cm⁻² to 2.19×10¹¹ cm⁻²， corresponding to a reduction of approximately 83.53%. Nevertheless， all devices remain n-type without polarity inversion， indicating effective p-type modulation of the electronic properties of monolayer MoS₂. Notably， Nb doping exhibits a higher p-type modulation efficiency compared with V doping. Furthermore， by integrating Raman and photoluminescence （PL） responses， including A_1g peak redshift， PL peak redshift， intensity quenching， and FWHM broadening， a quantitative correlation is established between optical parameter variations （as an indirect indicator of doping level） and electron concentration changes （as a metric of doping-induced electronic modulation）， providing an optical basis for assessing p-type modulation in monolayer MoS₂.

Graphical abstract

关键词

二硫化钼 / 化学气相沉积 / 替位掺杂 / p型调控 / 光学-电学关联

Key words

MoS₂ / CVD / substitutional doping / p-type modulation / optical-electrical correlation

原子级厚度的二维二硫化钼（MoS₂）因其超薄结构、本征直接带隙特性以及优异的栅极电场调控能力，近年来受到广泛关注，被认为是构筑超薄场效应晶体管、柔性电子器件以及光电探测器等新型器件的重要候选材料^［1-7］。载流子浓度及输运行为直接影响MoS₂器件的阈值电压、迁移率和接触特性，因此，精准调控载流子类型及浓度是提升器件性能的关键^［8-10］。

然而，由于MoS₂本征表现为n型半导体，实现稳定、高效的p型调控仍面临巨大挑战。已有研究表明，硫空位缺陷^［9-10］、界面缺陷态以及强烈的费米能级钉扎效应^［8-10］共同诱导了显著的电子积累，从而抑制空穴输运并阻碍有效受主掺杂的实现。因此，抑制MoS₂本征n型特征并实现可控p型调控，已成为二维半导体载流子工程领域的重要研究方向。

目前，实现MoS₂ p型调控的方法主要包括电荷转移掺杂^［11-14］、离子注入^［15-16］以及生长过程中原位替位掺杂^{［15，17-21］}等。基于化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）的原位替位掺杂，能够在生长过程中实现掺杂原子的原子级引入，提高均匀性和稳定性，避免后处理造成的晶格损伤。因此，该方法被认为是实现二维半导体稳定载流子调控的重要途径之一^［21-23］。

在众多受主型替位掺杂元素中，V和Nb与Mo具有相近的原子尺寸及相匹配的过渡金属电子结构，因此被认为是适用于MoS₂晶格调控的候选元素。其中，Nb与Mo均属于4d过渡金属，具有较为接近的d轨道电子结构和成键特征，有利于形成稳定的Mo位替位结构；而V属于3d过渡金属，其原子尺寸与Mo相近，并具有可调的价态特征，同样能够实现Mo位点替代。由于V/Nb与Mo存在价电子差异，替位后可改变局域电子结构并形成受主型调控中心，通过降低电子浓度抑制MoS₂的本征n型行为。已有研究表明，V和Nb掺杂均能够在一定程度上实现MoS₂载流子调控^［20-24］。

然而，两种掺杂元素调控效率的差异及其内在机制仍缺乏系统研究。此外，二维材料中理论掺杂浓度与实际载流子调控效果通常存在偏差，因此建立掺杂水平与电学响应之间的关联，对理解受主掺杂机制具有重要意义。

近年来，为实现对掺杂诱导载流子调控效果的准确评价，拉曼（Raman）光谱和光致发光（Photoluminescence，PL）光谱由于对二维半导体电子结构变化及载流子浓度具有较高敏感性，被广泛用于研究掺杂诱导的电子性质变化和能带结构调控^［25-26］。因此，建立光学响应与载流子调控之间的关联，有助于实现掺杂效果的无损评价。

本研究采用液态前驱体辅助化学气相沉积方法制备V和Nb替位掺杂的单层MoS₂，并系统研究其p型调控效率及载流子输运行为。结合拉曼光谱、PL光谱、X射线光电子能谱（X‑ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）以及场效应晶体管（Field‑Effect Transistor，FET）测试，对掺杂MoS₂的结构、电学及光学特性进行了综合分析。V/Nb掺杂均可降低MoS₂电子浓度，其中Nb表现出更高的p型调控效率。同时，通过建立ΔRaman/ΔPL与Δcarrier density之间的关联，进一步表明光谱参数可用于评价掺杂诱导的载流子调控程度，为二维半导体受主掺杂效应的无损表征与载流子工程调控提供了实验依据。

1 实验方法

1.1 本征和V、Nb掺杂单层MoS₂合成

在2英寸（50.8 mm） c面蓝宝石衬底上通过CVD方法合成大面积V、Nb掺杂MoS₂。将Mo源前驱体Na₂MoO₄和V、Nb掺杂源前驱体NaVO₃和Nb（C₂O₄）₅分别按照Mo∶V/Nb原子摩尔比为1∶20、1∶10、3∶10、1∶2和1∶1称量，并均匀溶解于去离子水中，配制一系列Na₂MoO₄浓度为7.5 mg/mL的Mo、Mo&V和Mo&Nb前驱体溶液。使用匀胶机以100 r/min的转速将约1 mL前驱体溶液均匀旋涂于2英寸石英玻璃表面，并置于80 °C烘箱中静置烘干5 min。如图1a所示，将载有前驱体的石英玻璃与生长衬底蓝宝石面对面放置于CVD石英管内，并在蓝宝石周围放置6颗尺寸为0.5 cm×0.5 cm的ZnS作为S源。随后，以图1b的反应条件与历程，在1 Torr（1 Torr≈133.322 Pa）低压环境下，以500 sccm （sccm为标准状态下的体积流量，standard cubic centimeter per minute） Ar作为载气，将气化前驱体输运至蓝宝石衬底反应，体系经30 min升温至850 ℃后保温30 min，最后自然冷却至室温。获得本征及不同浓度V/Nb掺杂单层MoS₂薄膜。

1.2 表征

通过光学显微镜（SG-9XF）观察本征与V/Nb掺杂MoS₂的表面形态；使用拉曼和PL装置（HORIBA）测量拉曼光谱和PL光谱，激光激发波长为532 nm；使用Kratos AXIS SUPRA+测试XPS。

1.3 场效应晶体管制备及测试

采用传统湿法转移方法，将蓝宝石衬底表面生长的单层MoS₂转移至285 nm SiO₂/Si衬底上。首先，在MoS₂表面旋涂质量分数为12%的PMMA溶液，旋涂程序为500 r/min×10 s和4000 r/min×50 s，随后在180 °C下烘烤3 min，使溶剂挥发并完成PMMA固化。随后，利用去离子水的表面张力使PMMA/MoS₂与蓝宝石衬底分离，并使用经过亲水处理的SiO₂/Si衬底进行“打捞”。转移完成后自然干燥2 d，依次采用丙酮和异丙醇浸泡，去除MoS₂表面的PMMA。

随后，通过光刻工艺对SiO₂/Si衬底表面的MoS₂进行图案化，并采用电子束蒸发在样品表面沉积30 nm厚的Pd作为源极和漏极电极。器件制备完成后，将器件置于管式炉中心，在200 sccm Ar和20 sccm H₂气氛下，于250 °C退火2 h，以改善Pd/MoS₂金属-半导体接触。

器件的电学性能采用LPS-100真空探针台进行测试，并使用Keithley 2614源表对器件进行电学测量。

2 结果与分析

2.1 本征和V/Nb掺杂MoS₂生长

2英寸本征及掺杂晶圆的光学显微镜图像如图1c所示，所有薄膜均表现出良好的表面连续性。

图1d为V/Nb掺杂单层2H-MoS₂的侧视和俯视结构示意图。在CVD生长过程中，V或Nb原子通过替位掺杂机制引入MoS₂晶格，其中掺杂原子随机占据由硫三角棱柱配位的Mo晶格位点^［19-21］。该替位掺杂方式能在保持单层MoS₂本征2H晶体结构的同时，实现对其电子结构的有效调控。

2.2 V/Nb掺杂诱导的MoS₂光谱特性演化

为探究原位V和Nb替位掺杂对单层MoS₂晶格振动特性及电子结构的影响，对不同前驱体浓度制备的V/Nb掺杂MoS₂样品进行了拉曼光谱、PL光谱以及XPS表征。

如图2a、b所示，本征单层MoS₂呈现两个典型拉曼振动模式，分别位于383 cm⁻¹和402 cm⁻¹，对应面内振动模式E{}_{\mathrm{2}\mathrm{g}}^{\mathrm{1}}和面外振动模式A{}_{\mathrm{1}\mathrm{g}}^{}，两峰间距约为19 cm⁻¹。V/Nb掺杂后，所有样品的峰间距仍小于20 cm⁻¹，表明掺杂过程未破坏MoS₂单层结构特征^［27-28］。随着掺杂浓度增加，E{}_{\mathrm{2}\mathrm{g}}^{\mathrm{1}}和A{}_{\mathrm{1}\mathrm{g}}^{}峰均出现峰位偏移及峰形展宽，表明V/Nb引入改变了局域声子环境。进一步地，如图2c所示，V和Nb掺杂后MoS₂的A{}_{\mathrm{1}\mathrm{g}}^{}峰均发生明显红移，且随着掺杂浓度增加，红移趋势逐渐增强。最高掺杂浓度下，1∶1 V-MoS₂和1∶1 Nb-MoS₂的A{}_{\mathrm{1}\mathrm{g}}^{}峰分别红移约2.3 cm⁻¹和3.2 cm⁻¹，而E{}_{\mathrm{2}\mathrm{g}}^{\mathrm{1}}峰位基本保持不变。这主要是由于E{}_{\mathrm{2}\mathrm{g}}^{\mathrm{1}}模式对应面内晶格振动，对应变及结构畸变更为敏感^［29］，而V、Nb与Mo具有相近的原子半径，替位掺杂引起的晶格畸变较弱，因此对E{}_{\mathrm{2}\mathrm{g}}^{\mathrm{1}}峰影响有限^［19-20］。相比之下，A{}_{\mathrm{1}\mathrm{g}}^{}模式对载流子浓度及电子-声子耦合敏感，其红移表明V/Nb掺杂降低电子浓度，与电学结果一致^［30］。与此同时，图2d中E{}_{\mathrm{2}\mathrm{g}}^{\mathrm{1}}/A{}_{\mathrm{1}\mathrm{g}}^{}峰强比随着掺杂浓度增加而逐渐升高，由本征MoS₂的0.7增加至1.21和1.25，表明掺杂改变了面内与面外晶格振动模式的相对贡献。其中，Nb掺杂样品表现出更明显的峰强比变化，说明其具有更强的载流子调控能力。

图2e、f展示了不同掺杂浓度下V/Nb-MoS₂样品的PL光谱。本征单层MoS₂在约1.84 eV处出现强发光峰，对应于单层MoS₂的直接带隙跃迁^［3］。低浓度V/Nb掺杂后，PL峰发生轻微蓝移，其中1∶20 V-MoS₂和1∶20 Nb-MoS₂分别蓝移约0.03 eV和0.01 eV。该现象通常与p型掺杂相关，即受主态的引入降低了A⁻负激子比例，提高了中性A激子的发光贡献^［19］。随掺杂浓度增加，PL峰逐渐红移。1∶1 V-MoS₂和Nb-MoS₂分别红移约0.06 eV和0.03 eV，表明随着掺杂浓度增加，局域扰动逐渐增强，并导致有效光学带隙降低^［31］。同时，如图2h所示，随掺杂浓度增加，PL强度降低且FWHM增大，说明掺杂引入缺陷态并增强非辐射复合^［32］。相比Nb掺杂MoS₂，V掺杂样品在高浓度条件下表现出更明显的PL淬灭和峰宽展宽，这主要与掺杂原子的电子结构及晶格兼容性差异有关^［33］。Nb与Mo具有更相近的电子结构，因此Nb掺杂引起的晶格扰动较弱，而V的局域d轨道可能导致更强电子-声子相互作用^［20］。

进一步采用XPS对本征MoS₂及V/Nb掺杂MoS₂样品的化学组成进行分析，如图2i、j所示，在本征MoS₂以及V-/Nb-MoS₂样品中均观察到对应于Mo⁴⁺的Mo 3d_5/2和Mo 3d_3/2双峰以及S 2s特征峰^{［28，34］}。与本征MoS₂相比，V和Nb掺杂样品中的Mo和S相关核心能级峰均向高结合能方向移动，表明V/Nb替位掺杂改变了MoS₂晶格中的局域电子环境^［34］。由于V/Nb的价电子数较少，替位后可降低局域晶格电子密度，从而使核心能级结合能升高。其中，Nb掺杂样品表现出更明显的结合能变化，可能与Nb较强的Mo位点替代稳定性以及更有效的局域电子结构调节能力有关。如图2k、l所示，V-MoS₂样品中可观察到明显的V 2p特征峰（V 2p_1/2： 523.97 eV；V 2p_3/2：516.67 eV，原子百分比0.53%），而Nb-MoS₂样品中出现Nb 3d特征峰（Nb 3d_3/2： 210.87 eV；Nb 3d_5/2： 207.45 eV，原子百分比1.10%）^{［15，19-20］}，进一步证明V和Nb元素成功引入MoS₂晶格并实现替位掺杂。综上，拉曼、PL及XPS结果共同证实了V和Nb在MoS₂中的成功替位掺杂，并表明二者能够有效调控MoS₂局域电子结构，其中Nb表现出更优的p型调控能力。

2.3 V/Nb掺杂MoS₂场效应输运特性曲线

为进一步探究V和Nb掺杂对MoS₂载流子输运行为的调控作用，以本征及V/Nb掺杂MoS₂薄膜为沟道材料制备FET阵列。如图3a所示，所制备器件采用典型背栅型结构，其中重掺杂p⁺⁺Si作为全局背栅电极，285 nm SiO₂作为栅介质层。通过无掩膜光刻定义沟道和电极区域，并采用电子束蒸发沉积30 nm Pd源漏电极。器件经Ar/H₂（200/20 sccm）气氛250 ℃退火2 h，以改善MoS₂/金属界面接触并降低接触电阻^［35-36］。如图3b所示，所制备FET器件的沟道长度和宽度分别为10 μm和20 μm。

图3c~i展示了在源漏电压（V_DS）为1 V条件下，本征MoS₂及不同掺杂浓度（3∶10、1∶2和1∶1）的V/Nb-MoS₂ FET阵列转移特性曲线。每个阵列中的15个器件均表现出良好的电学一致性，表明掺杂过程具有较好的均匀性和可控性。随着栅极电压（V_GS）逐渐增加，所有器件的源漏电流（I_DS）均明显增大，表现出典型的n型输运特征，说明电子仍是器件中的主要导电载流子^［37］。

尽管V/Nb替位掺杂能够引入受主态并调控MoS₂载流子行为，但其主要作用表现为削弱材料本征n型特征，而未实现p型输运转换。V/Nb原子替代Mo位点后，可通过受主效应降低沟道电子浓度并调节费米能级位置，从而使掺杂器件的阈值电压明显向正方向移动。其中1∶1 V-MoS₂和1∶1 Nb-MoS₂器件的V_th分别由-17.83 V移动至-7.81 V和-0.89 V，表明V/Nb掺杂有效抑制了MoS₂中的电子积累。

然而，由于MoS₂本征缺陷及界面态引起的电子补偿效应，受主掺杂尚不足以实现电子向空穴主导输运的转变，因此所有器件仍保持n型输运特征。因此，本文中的V/Nb掺杂主要表现为受主型p型调控，即通过降低电子浓度削弱MoS₂的本征n型特征，而未实现完全的p型输运转换。

2.4 V/Nb掺杂MoS₂器件电学性能分析

为定量评估V、Nb替位掺杂对MoS₂电学输运特性的影响，基于图3中的转移特性曲线提取了器件关键参数，包括阈值电压（V_th）、亚阈值摆幅（Subthreshold Swing，SS）、开关比（I_on/I_off）、电子浓度、开态/关态电流以及场效应迁移率（μ），统计结果如图4所示。随掺杂浓度增加，各参数呈现明显演化趋势，其中Nb表现出更强电子调控能力。

图4a展示了不同掺杂浓度下器件V_th的统计结果。阈值电压采用恒定电流法提取，即以I_DS=10⁻¹¹ A对应的栅极电压作为V_th。本征MoS₂ FET的平均V_th为-17.83 V，表现出典型n型耗尽型特征^［37］。随着V、Nb掺杂浓度增加，V_th逐渐向正方向移动，其中1∶1 V-MoS₂和1∶1 Nb-MoS₂器件分别达到-7.81 V和-0.89 V。该正移来源于V/Nb替位形成的受主态捕获电子并调节费米能级，实现p型调制^［9，23］。

为进一步分析掺杂对沟道电子浓度的影响，图4b基于平板电容模型计算了器件等效电子浓度：

n=\frac{|V_{\mathrm{t}\mathrm{h}}|C_{\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}}{q}(1)

其中，C_SiO₂为SiO₂栅介质单位面积电容（11.6 nF/cm²），q为元电荷。由于器件保持n型输运特征，因此计算得到的载流子浓度可视为电子浓度。本征MoS₂器件电子浓度为1.33×10¹² cm⁻²。随着受主掺杂浓度增加，电子浓度逐渐降低，其中1∶1 V-MoS₂降低至6.17×10¹¹ cm⁻² （降低53.61%），而1∶1 Nb-MoS₂进一步降低至2.19×10¹¹ cm⁻² （降低83.53%）。结果表明，Nb掺杂相比V掺杂具有更强的受主调控能力，可更有效地抑制MoS₂中的电子积累。

图4c总结了不同器件的场效应迁移率变化，其计算公式为：

\mu =\frac{L}{W{V}_{\mathrm{D}\mathrm{S}}{C}_{\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}}\frac{\mathrm{d}{I}_{\mathrm{D}\mathrm{S}}}{\mathrm{d}{V}_{\mathrm{G}\mathrm{S}}}(2)

其中，沟道长度L和宽度W分别为10 μm和20 μm，V_DS为1 V。本征MoS₂ FET的平均迁移率为6.23 cm²·V⁻¹·s⁻¹。随着掺杂浓度增加，迁移率整体下降，1∶1 Nb-MoS₂器件降低至0.19 cm²·V⁻¹·s⁻¹。该变化主要归因于掺杂原子引入的杂质散射中心以及局域缺陷态增加，导致载流子散射增强^［23］。值得注意的是，Nb掺杂相比V掺杂表现出更强的电子耗尽效应，与其更明显的V_th正移及电子浓度降低趋势相一致。这可能与Nb和Mo更相近的4d电子结构及成键特征有关。相比V的3d轨道电子，Nb的4d轨道具有更大的空间延展性，与Mo位点的电子结构匹配度更高，有利于形成稳定的替位掺杂结构并减少额外晶格扰动，从而提高受主调控效率。此外，Nb掺杂诱导的局域电子结构调节可能更有效地补偿MoS₂中的本征电子来源，使其表现出更明显的电子浓度降低^［3］。

图4d、e给出了器件开态/关态电流及开关比变化。V/Nb掺杂后，器件关态电流变化较小，而开态电流明显降低。其中，1∶1 Nb-MoS₂器件I_on降低至0.12 μA，仅为本征器件（5.44 μA）的2.2%，对应I_on/I_off由1.03×10⁶降低至3.16×10⁴。I_off基本保持稳定，表明器件未出现明显的漏电路径；而I_on的下降主要源于电子浓度降低及载流子散射增强^［37］。相比V掺杂，Nb掺杂表现出更强的电子抑制能力。

图4f展示了不同器件的亚阈值摆幅（SS）：

\mathrm{S}\mathrm{S}=\frac{\mathrm{d}{V}_{\mathrm{G}\mathrm{S}}}{\mathrm{d}(\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}{I}_{\mathrm{D}\mathrm{S}})}(3)

本征MoS₂ FET的SS为1.59 V/dec。随着V/Nb掺杂浓度增加，SS逐渐增大，其中1∶1 V-MoS₂和1∶1 Nb-MoS₂分别达到3.37 V/dec和2.52 V/dec。SS增加可能与掺杂过程中引入的界面陷阱态及局域缺陷态增加有关，从而降低栅极对沟道电流的调控效率。相比V掺杂，Nb掺杂器件在实现更强电子耗尽的同时仍保持较低SS，表明其具有更有效的费米能级调节能力。

2.5 光谱特征与载流子浓度变化的关联

尽管图4表明V、Nb掺杂能够调节MoS₂载流子输运行为，但掺杂程度与电学调控效果之间的关系仍需进一步建立。由于二维V/Nb-MoS₂真实掺杂浓度难以直接定量，因此需引入间接方法评价掺杂水平。TMDs的Raman和PL响应对载流子浓度、电荷转移及电子-声子耦合敏感，并随掺杂程度变化^{［23，32，38-39］}。

基于此，本文选取PL峰位、PL强度、FWHM及Raman A{}_{\mathrm{1}g}^{}峰位变化量（ΔPL energy、ΔPL intensity、ΔPL FWHM和ΔRaman A{}_{\mathrm{1}\mathrm{g}}^{} shift），并分析其与电子浓度变化量（Δcarrier density）的关系，如图5所示。图5a~d分别展示了Δcarrier density与上述光谱参数之间的关联。随着PL峰红移、强度降低、FWHM增大以及A_1g峰红移，V/Nb-MoS₂均表现出电子浓度降低趋势，说明光谱变化与受主掺杂诱导的电子耗尽过程一致。

如图5a所示，PL峰位变化与电子浓度降低呈明显相关性。在单层MoS₂中，PL发射主要来源于中性激子（A exciton）和带负电三激子（A⁻ trion）的辐射复合，其中A⁻ trion的形成与自由电子浓度密切相关^［40］。随着V/Nb受主掺杂增加，电子浓度降低导致A⁻ trion比例减少，而高浓度掺杂引入的局域态及能带重整化效应使PL峰向低能方向移动。

如图5b所示，掺杂引入的杂质和缺陷态可作为非辐射复合中心，降低辐射复合效率，使PL强度下降，因此ΔPL intensity可反映载流子调控过程^{［31，34］}。此外，PL FWHM可反映体系中的能级分布和散射行为。如图5c，随着掺杂浓度增加，替位掺杂引起的局域电势波动和晶格无序增强，使激子-缺陷、激子-声子及载流子散射过程加剧，导致PL谱线展宽^{［31，41］}。FWHM对局域电子环境变化敏感，可作为掺杂演变的辅助指标。

Raman光谱同样表现出明显的载流子调控响应。图5d中随着ΔRaman A{}_{\mathrm{1}\mathrm{g}}^{} shift增加，电子浓度逐渐降低。A{}_{\mathrm{1}\mathrm{g}}^{}模式来源于S原子的面外振动，对载流子浓度及电子-声子耦合作用较为敏感。受主掺杂导致电子浓度下降，使电子对晶格振动的屏蔽作用减弱，从而引起A{}_{\mathrm{1}\mathrm{g}}^{}峰红移^［38-39］。

综上，虽然V/Nb-MoS₂中的实际掺杂浓度难以直接定量获得，但PL和Raman参数均与电学输运结果表现出一致变化趋势，因此可作为评价掺杂程度及载流子调控效果的有效间接指标。随着掺杂增强，MoS₂中的电子浓度持续降低，表明V、Nb受主掺杂能够有效削弱材料本征n型特性并实现载流子调控。相比V-MoS₂，Nb-MoS₂在较小光谱变化幅度下即可产生更明显的电子浓度降低，说明Nb具有更高的受主调控效率和更强的p型调制能力。

3 结论

本文采用液相前驱体辅助CVD方法在蓝宝石衬底上实现了单层V/Nb替位掺杂MoS₂薄膜的可控生长。Raman、PL及XPS表征结果表明，V/Nb替位掺杂在保持单层2H-MoS₂晶体结构完整性的同时，引起A{}_{\mathrm{1}\mathrm{g}}^{}峰红移、PL峰位红移、PL淬灭以及FWHM展宽等系统性的光学响应变化。电学测试结果进一步表明，尽管器件仍保持n型输运特征且未发生极性反转，V/Nb掺杂能够有效抑制MoS₂本征n型传导行为，使阈值电压持续向正方向移动并显著降低电子浓度。其中，Nb掺杂表现出更强的载流子调控能力，在1∶1前驱体比例下实现了约83.53%的电子浓度降低。此外，本工作建立了载流子浓度变化与Raman/PL光谱演化之间的关联关系，表明光谱响应能够有效反映掺杂诱导的载流子调控效应，揭示了V/Nb替位掺杂对单层MoS₂载流子输运与光学响应的协同调控机制，为二维TMD半导体中掺杂效应的非破坏性光学表征提供了新的研究思路。

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基金资助

国家自然科学基金(52272160)

国家自然科学基金(U2330112)

国家自然科学基金(52502149)