第一作者：黃元，潘宇浩，楊蓉
通訊作者：高鴻鈞、周興江、季威、Peter Sutter
通訊單位：中國科學院物理研究所，中國人民大學，內布拉斯加林肯大學
研究要點：
1，通過理論計算得到了金元素與58種層狀材料的結合能，指出了層狀材料單層中的最外層元素是影響解理過程的關鍵；
2，利用金輔助的方法，成功解理出了40種毫米量級二維材料，并制備出了懸空結構和異質結；
3，通過控制金屬層厚度可以實現導電和絕緣的調控，首次在金屬薄膜上制備出高開關比的場效應晶體管。
研究背景
自從第一個石墨烯被解理出來以后，二維材料的研究如火如荼，目前已經發展成為材料家族中非常龐大的分支，擁有上千種材料體系，涵蓋了絕緣體、半導體、半金屬、金屬和超導體，是凝聚態物理和材料科學領域的研究熱點。在基礎科學研究中，二維材料展現出了許多不同于塊體材料的新奇性質。制備高質量的二維材料，特別是原子級的超薄材料，是開展本征物性研究和探索新現象的基礎。在諸多二維材料制備方法中，包括化學氣相沉積法（CVD），分子束外延法（MBE）、液相剝離法等，機械解理法被認為是研究二維材料本征物性最理想的制備手段。
2004年，機械解理技術最早由諾貝爾物理學獎得主Geim教授和Novoselov教授用于制備石墨烯。近十年來，機械解理技術已被廣泛應用于制備各種高質量的二維材料。石墨烯中的無質量費米子和量子霍爾效應，MoS2從多層到單層過渡時的能帶結構轉變，以及單層高溫超導材料Bi2212的超導相圖，都是在機械解理的樣品上展開研究的。在異質結和轉角石墨烯等人造晶體中，機械解理的樣品也同樣展現出獨特的優勢。機械解理的樣品與基底相互作用弱，制備過程簡單，樣品質量高，這些優勢使得該方法在二維材料研究中獲得了極大的成功。但是隨著研究的深入，人們發現該方法同樣存在一些重要的問題，特別是制備效率低和獲得的樣品尺寸小，限制了許多先進的實驗手段如掃描隧道顯微鏡（STM）、紅外-太赫茲光譜以及角分辨光電子能譜（ARPES）對二維材料的研究。
2015年，美國布魯克海文國家實驗室的黃元博士和Peter Sutter教授與中科院物理所高鴻鈞院士合作，提出了利用氧氣等離子體增加石墨烯和基底相互作用的新型解理方法（ACS Nano. 9 (11), 10612 (2015)），成功獲得了毫米量級的單層石墨烯和高溫超導材料Bi2212，這使得研究大面積單層單晶石墨烯和Bi2212的更多物理性質成為了可能。然而從解理石墨烯至今的十五年中，人們一直沒有找到一種具有普適性的機械解理技術，這使得探索許多新型二維材料體系的本征物性變得越來越困難。
成果簡介
2020年5月15日，Nature Communications在線報道了中科院物理所周興江研究團隊、高鴻鈞院士團隊與中國人民大學季威教授在機械解理技術領域的最新研究成果（DOI: 10.1038/s41467-020-16266-w）。在該文章中，研究人員發展了一種金膜輔助的普適性機械解理方法，可以用于獲得大尺寸超薄二維材料。
圖1. 不同層狀材料自身層間結合能以及與金相互作用能的對比。
要點1：計算金元素與58種層狀材料的結合能
中國人民大學博士研究生潘宇浩系統地計算了58種層狀材料體系與金（111）表面的相互作用 （圖1），結合元素周期表中不同元素的相互作用規律，指出層狀材料的最外層元素和基底的相互作用是影響機械機理最關鍵的因素。針對最外層元素含有VA，VIA，VIIA主族的層狀材料，可以采用金膜輔助的解理方法。中科院物理所黃元副研究員和楊蓉副研究員在實驗上成功實現了對40種二維材料的大面積解理，單層二維材料尺寸在毫米量級以上（圖2和圖3），充分驗證了理論計算結果并檢驗了這種機械解理技術的普適性。
圖2. 機械解理獲得多種大面積高質量超薄二維材料。(a) 新型機械解理的步驟; (b-e) 不同基底上解理得到的大面積MoS2; (f-g) 解理得到的多種大面積二維材料； (h-j) 異質結及懸空二維材料的拉曼光譜及熒光光譜。
圖3. 解理得到的多種二維材料的光學照片。
要點2：實現導電和絕緣的調控，制備出高開關比的場效應晶體管
由于金和許多二維材料可以形成準共價鍵，這種相互作用遠大于層間的范德華相互作用，因此可以通過在襯底上蒸鍍金膜，在不影響材料本征物性的前提下高效地解理出大面積的單層樣品。由于金膜可以通過KI/I2的溶液將金膜溶解，因此解理后的二維材料可以從金膜表面轉移到任意基底，也可以堆疊到其它二維材料表面制備出異質結。更為重要的是，這種解理方法可以實現多方面的調控。
首先，這種解理方法無需連續的金膜，可以實現高效懸空樣品的制備，這為研究材料的本征光學性質和輸運性質提供了理想的研究體系；其次，這種方法可以實現基底導電性的調控，針對不同的實驗要求，可以選擇性地實現基底的導電和絕緣。針對STM和ARPES等需要基底導電的真空研究手段，可以通過增加金膜的厚度，直接將二維材料解理到金膜上，并觀察到清晰的原子結構和能帶結構 （圖4）；而針對熒光光譜和電輸運測量，可以將金屬膜的厚度控制在3 nm以下，獲得絕緣性的金屬島，從而獲得良好的熒光信號和高開關比的場效應晶體管 （圖5）。
圖4. 在大面積的單層樣品上獲得的原子圖像、低能電子衍射斑點及能帶結構圖。
圖5. 通過控制金屬膜的厚度，可以獲得絕緣的金屬膜，可以在器件中實現高開關比和超導特性測量。
此外，研究團隊利用該技術在國際上首次解理出大面積的單層FeSe, PtSe2, PtTe2, PdTe2等材料，為后續開展一些新材料物性的探索打下了良好的基礎。該解理方法展現出了非常好的普適性，也可以在透明基底、柔性基底上實現有效解理，為多種光學研究、柔性器件研究提供了新思路。
小結
這一研究成果首次給出了針對不同層狀材料的普適性解理規律，對于探索更多二維材料的新奇物理性質具有重要的推動作用，也為未來大面積晶圓級二維材料的制備和應用提供了新的可能性。本工作得到了科技部、基金委、中科院以及廣東松山湖實驗室、中國人民大學和上海超算中心的大力支持。
參考文獻
Huang Y, et al. Universal mechanical exfoliation of large-area 2D crystals. Nature Communications. 2002.
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16266-w#MOESM1
