二维半导体在后硅电子学、扭角物理、能谷电子学等领域具有广阔的应用前景。然而，原子级厚度这一特征也使得二维半导体的环境稳定性普遍较低，人们对其氧化动力学仍缺乏精准的定量理解。主要的研究挑战在于：1）缺乏高效率的表征技术； 2）影响材料老化的参数较多，系统研究的工作量巨大。迄今，大多数研究依赖于微区表征技术，如拉曼光谱、原子力显微镜或透射电子显微镜，通常而言这些技术的检测空间有限、表征效率低下、或者难于调控环境参数，不能快速且高效地揭示长时间老化过程中的成分和形态变化。此外，材料老化过程通常与一系列材料参数和环境因素有关，包括原子缺陷、存储和工作环境（如光热、水氧浓度等因素）。目前，尚缺乏兼具时空分辨率、环境兼容性和高效的动力学表征技术。

图1 利用荧光显微成像高效追踪二维半导体的氧化动力学

近期，37000cm威尼斯电子学院黎松林副教授、施毅教授团队在二维半导体的氧化动力学研究上取得进展。对于过渡金属硫族化合物二维半导体而言，只有单层材料具备直接带隙和较高的光致发光效率。团队巧妙利用二维半导体光致发光效率的厚度差异性，借助荧光显微成像技术（图1）定量地研究了二维半导体随晶体和环境（包括晶格缺陷密度[V]、湿度RH、光照通量F、和温度T，图2）等因素的氧化动力学规律，为材料服役寿命、防腐保护等应用提供了重要的理论依据。

图2 二维半导体的系统性氧化规律

如图3 所示，理论研究表明晶格缺陷会大大降低材料与环境水氧复合体反应的激活能。团队还针对两种二维材料WS₂和MoS₂，利用紫外光电子能谱系统表征了材料能级。通过与实验的对比研究表明，精细描述二维材料的氧化反应激活能需考虑半导体材料与水氧复合体之间化学势平衡引起的能带弯曲。该结果揭示了二维半导体老化过程中有悖于经典Marcus-Gerischer电荷转移理论的电化学氧化行为，为基本电化学反应理论提供了重要的修正。

图3 光氧化反应原理

该研究成果以“Oxidation kinetics and non-Marcusian charge transfer in dimensionally confined semiconductors”为题，发表在国际期刊Nature Communications上，论文链接https://doi.org/10.1038/s41467-023-39781-y。37000cm威尼斯电子学院博士生徐宁、东我院学物理学院博士生史丽（现任南京邮电大学副教授）、37000cm威尼斯现代工学院博士生裴旭东是论文的共同第一作者，37000cm威尼斯电子学院黎松林副教授、施毅教授、现代工学院王鹏教授、东我院学物理学院王金兰教授为论文的共同通讯作者。上述工作得到了电子学院陈健教授的大力支持，同时得到了科技部重点研发计划和国家自然科学基金的资助。