第一作者：Jaewoo Shim, Sang-Hoon Bae, Wei Kong, Doyoon Lee
通訊作者：Jeehwan Kim
通訊單位：麻省理工學(xué)院（美國）
研究亮點：
1. 發(fā)展了一種規(guī)模化制備晶圓級單層二維材料的普適性方法。
2. 構(gòu)建了單層二維異質(zhì)結(jié)FET，實現(xiàn)了更優(yōu)異的性能。
二維材料由于其面內(nèi)穩(wěn)定性和面外弱相互作用，通常可以堆疊形成各種器件，在光電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為了實現(xiàn)優(yōu)異的功能性，二維材料異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建往往采用堆積木的形式，先分離得到單層二維材料，再以單層精確度進行堆疊。
用透明膠帶，可以撕出厘米尺度的鱗片二維材料異質(zhì)結(jié)，但是，這種方法重復(fù)性太差，而且將鱗片二維材料分離成單層，需要經(jīng)過大量的試錯嘗試，耗費大量時間。由于二維材料成核能壘太高，通過直接生長的方法來控制二維材料的層數(shù)就更加困難了。
基于金屬有機化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）和程序化真空堆積技術(shù)（PVS），康奈爾大學(xué)的Jiwoong Park課題組于2015年和2017年分別在Nature報道了晶圓級單層TMDCs二維材料及其異質(zhì)結(jié)的制備。
圖1. MOCVD制備晶圓級單層TMDCs二維材料及異質(zhì)結(jié)
圖2. PVS制備晶圓級單層TMDCs二維材料及異質(zhì)結(jié)
然而，大尺寸單層二維材料的制備，依然是制約二維材料異質(zhì)結(jié)的可控構(gòu)建，限制其性能和宏觀應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素。
有鑒于此，美國麻省理工學(xué)院的Jeehwan Kim課題組發(fā)展了一種普適性的層數(shù)分辨分離技術(shù)（LRS），通過對單個硅片上生長的單個堆疊的二維材料進行剝離，實現(xiàn)了多種單層二維材料的晶圓級（5 cm）大尺寸規(guī)模化制備。
圖3. LSR技術(shù)工藝示意圖
制備工藝
單層分辨分離（LRS）技術(shù)主要是基于材料之間界面粗糙度的差異實現(xiàn)。根據(jù)以下界面粗糙度的強弱：Ni-2D>2D-2D>藍寶石-2D，且藍寶石-2D界面粗糙度可以忽略。研究人員首先在藍寶石基底生長得到任意層數(shù)的晶圓級較厚二維材料，然后在相對粗糙的二維材料表面沉積Ni層，利用Ni和二維材料之間的強吸附作用將二維材料從藍寶石基底剝離，然后利用Ni將二維材料兩面夾住，再利用Ni-2D>2D-2D實現(xiàn)二維材料的單層剝離。
實驗證明，這種方法適用于h-BN, WS2, WSe2, MoS2以及MoSe2等多種二維材料的晶圓級單層剝離。
圖4. 技術(shù)原理
材料表征和應(yīng)用
光致發(fā)光譜響應(yīng)和導(dǎo)電性測試證實了晶圓級單層h-BN, WS2, WSe2, MoS2以及MoSe2的均勻性。此外，研究人員還制備得到了晶圓級范德華二維異質(zhì)結(jié)，單原子厚度分辨率的場效應(yīng)晶體管表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能。
圖5. 晶圓級單層二維材料
圖6. 剝離過程表征
圖7. 晶圓級單層二維異質(zhì)結(jié)
總之，這項工作為大尺寸單層二維材料的制備提供了新的思路，對二維材料的商業(yè)化應(yīng)用起到了重要促進作用。
參考文獻：
JaewooShim, Sang-Hoon Bae, Wei Kong, Doyoon Lee, Jeehwan Kim et al. Controlled crack propagation for atomic precision handling of wafer-scale two-dimensional materials. Science 2018.
http://science.sciencemag.org/content/early/2018/10/10/science.aat8126?rss=1
