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二维材料的干法转印

干法转印是用来制备范德华异质结的实验方法,具体是采用粘性聚合物将一种任意二维材料转移到另一材料表面的实验方法,材料之间是依靠微弱的范德华力进行结合,无需任何晶格匹配。

自2004年石墨烯发现以来,各类二维材料均得到了非常广泛的发展,如具有半金属性的石墨烯、绝缘性的氮化硼、半导体性的过渡金属族硫化物、黑磷等等。虽然单个的二维材料已经具有非常独特的性能,如石墨烯的超高迁移率、单层二硫化钼的谷电子效应、黑磷的超高载流子浓度等。

但单一二维材料在应用过程中却往往出现一些难以避免的限制,主要存在以下几点:(1)石墨烯的零带隙不适用于半导体逻辑器件;(2)氮化硼超宽带隙较难以应用于微纳器件中;(3)由于传统SiO2基底表面粗糙度高,存在悬空键,以及表面的光声子散射等原因造成基底与石墨烯或者过渡金属族硫化物等二维材料之间产生电荷陷阱而使材料本身优异特性受到限制,从而严重影响二维材料的电学性能,如二硫化钼实验测得迁移率始终达不到理论预言所预测的~400 cm2V-1s-1;(4)很多的二维材料都不具备空气稳定性,二维材料在空气中易氧化致使性能衰减甚至消失,如黑磷、氮化镓、碲化钨等。

直至2010年,哥伦比亚大学Cory Dean课题组首次报道了机械转移法,他们以六角氮化硼为衬底,将石墨烯机械转移至其表面,制备出首个二维材料异质结,该异质结中测出石墨烯载流子迁移率高达 60,000cm2V-1s-1,比在传统硅片表面高出3-4个数量级。此后人们才逐渐发展出当前制备范德华异质结最为广泛的干式转印。传统干式转印

传统干式转印是一种相对湿转移法清洁度较高的一种方法,通常采用具有双层粘性聚合物的载破片对二维材料进行转印,该双层粘性聚合物通常为聚甲基乙撑碳酸酯(Poly Carbonate)与聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane),简称PPC/PDMS。具体操作如图所示:

1. 使用双层粘性聚合物粘取首层二维材料(一般为10-30nm的六角氮化硼),将载玻片上PPC/PDMS落至所需首层二维材料附近,通过升温使得PPC没过样品,缓慢抬起载玻片完成首层二维材料的转移;

2. 以首层二维材料为基底,通过范德华力对其他所需二维材料进行转印操作,操作过程中可根据自身所需堆垛结构、转印层数、排列方式、角度方向等进行调整;通常情况下,置于下层的二维材料的尺寸要小于首层二维材料,从而保护其不受到污染。

3. 所需范德华异质结全部堆垛完成后,将其顺序放置于所需目标支撑基片(如SiO2/Si等)上,通过加热溶解载玻片上PPC,并将载破片抬起后获得最终范德华异质结。

4. 将异质结置于真空退火炉中进行退火处理,已去除表面残留PPC等粘性聚合物,最终获得干净整洁的范德华异质结。PDMS干转印

PDMS干转印方法是直接采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对二维材料进行转印。具体方法步骤如下:

1. 将制备好的PDMS切至合适大小,放置于干净的载玻片上。

2. 将二维材料通过机械剥离法首先将材料转移至PDMS表面,通过光学显微镜寻找合适大小、厚度的二维材料,并进行标记,存档。

3. 将置于PDMS表面的二维材料与目标二维材料进行对其排列后缓慢降低,直至两种二维材料紧密结合后,抬起PDMS,使二维材料与PDMS脱离落至目标二维材料上,若需其他二维材料,重复上述步骤,最终获得所需范德华异质结。

posted @ 20-06-26 04:33 作者:admin 点击量:

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