近年來，二維(2D)層狀晶體及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于其電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能而受到了廣泛關(guān)注。盡管在材料生長技術(shù)方面取得了廣泛進(jìn)展，但與機(jī)械剝離的對(duì)應(yīng)物相比，通過化學(xué)氣相沉積等方法生長的二維晶體質(zhì)量仍然不盡如人意。例如，機(jī)械剝離的石墨烯表現(xiàn)出顯著高于化學(xué)氣相沉積生長的石墨烯的載流子遷移率，后者通常受到生長過程中引入的晶界和缺陷限制。同樣地，在過渡金屬二硫?qū)倩铮ㄈ鏜oS2）的情況下，機(jī)械剝離的薄片顯示出更優(yōu)越的光學(xué)性質(zhì)，包括更強(qiáng)的光致發(fā)光強(qiáng)度和更長的激子壽命，這歸因于缺乏生長誘導(dǎo)的缺陷和雜質(zhì)。

然而基于剝離二維晶體的器件性能在剝離和轉(zhuǎn)移過程中由于污染而下降。2D晶體及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的組裝通常通過聚合物支持的轉(zhuǎn)移技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這些技術(shù)涉及從初始基板上拾取并釋放材料到目標(biāo)基板上。聚合物支持物與二維晶體之間的直接接觸導(dǎo)致了層間污染，在完成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面或表面上留下殘留物。這種污染會(huì)嚴(yán)重影響光電器件的性能。為了解決這些問題，已經(jīng)提出了使用金屬涂層氮化硅膜的無機(jī)轉(zhuǎn)移方法，雖然這種方法能夠制造高質(zhì)量的范德華(vdW)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，但其復(fù)雜性極大地限制了進(jìn)一步的發(fā)展。此外，金輔助機(jī)械剝離也避免了聚合物與2D晶體的直接接觸，但在隨后步驟中去除金膜時(shí)仍會(huì)帶來意外的污染，從而降低用于電氣和光學(xué)測(cè)量的樣品性能。因此，需要一種新的轉(zhuǎn)移技術(shù)來解決這些問題，實(shí)現(xiàn)無污染的2D晶體設(shè)備組裝。

針對(duì)上述問題，電子科技大學(xué)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)利用了澤攸科技的DMD無掩膜光刻機(jī)進(jìn)行了深入研究，他們提出了一種新穎的范德華(vdW)轉(zhuǎn)移技術(shù)，利用帶有vdW輔助層的聚氯乙烯覆蓋的聚二甲基硅氧烷微穹頂聚合物(MDP)，實(shí)現(xiàn)了2D晶體電子和光電器件的無污染組裝。相關(guān)成果以《Contamination-free assembly of two-dimensional van der Waals heterostructures toward high-performance electronics and optoelectronics》為題發(fā)表在《Applied Materials Today》期刊上，原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apmt.2025.102657

這篇論文介紹了一種創(chuàng)新的范德華(vdW)轉(zhuǎn)移技術(shù)，旨在解決傳統(tǒng)2D晶體材料轉(zhuǎn)移過程中常見的污染問題。該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種利用帶有vdW輔助層的聚氯乙烯覆蓋的聚二甲基硅氧烷微穹頂聚合物(MDP)的方法，這種技術(shù)避免了聚合物直接接觸目標(biāo)材料，從而防止了表面污染，保證了高質(zhì)量界面的形成。通過這種方法，研究人員能夠制造出具有MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器和WSe2場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FETs)，展示了其在提升器件性能方面的巨大潛力。

圖 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移(c-transfer)與范德華轉(zhuǎn)移(vdW-transfer)過程的比較

研究中，作者詳細(xì)描述了新型vdW轉(zhuǎn)移技術(shù)的制作流程及其與傳統(tǒng)方法(c-transfer)的區(qū)別。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移方法雖然簡(jiǎn)單高效，但容易導(dǎo)致聚合物殘留和氣泡的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響器件性能。相比之下，新方法采用的vdW輔助層不僅有效地防止了聚合物與目標(biāo)材料之間的直接接觸，還保留了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移過程中的效率優(yōu)勢(shì)。更重要的是，這一層可以輕松地從目標(biāo)材料上剝離，確保了轉(zhuǎn)移后的清潔度和原子級(jí)平整度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用vdW轉(zhuǎn)移技術(shù)制備的樣品表面粗糙度顯著低于傳統(tǒng)方法，證明了新方法在減少污染物方面的確切效果。

圖 MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡圖像和原子力顯微鏡(AFM)圖像

為了驗(yàn)證該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比了使用兩種不同轉(zhuǎn)移方法制備的MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器和WSe2 FETs的電學(xué)及光電特性。結(jié)果表明，采用vdW轉(zhuǎn)移技術(shù)的光電探測(cè)器表現(xiàn)出更線性的光響應(yīng)、更高的響應(yīng)度以及更快的響應(yīng)時(shí)間；而基于vdW轉(zhuǎn)移方法制造的FETs則顯示出接近30倍的空穴遷移率增加、一個(gè)數(shù)量級(jí)的遲滯減少以及四倍的亞閾值擺幅降低。這些改進(jìn)直接反映了vdW轉(zhuǎn)移技術(shù)在減少界面污染、提高器件整體性能方面的有效性。

圖 傳統(tǒng)光電探測(cè)器(c-PD)與范德華光電探測(cè)器(vdW-PD)光電性能的比較

最后研究進(jìn)一步探討了vdW轉(zhuǎn)移技術(shù)對(duì)改善器件性能的具體機(jī)制。研究表明，由于減少了界面處的缺陷和雜質(zhì)，采用vdW轉(zhuǎn)移技術(shù)的器件不僅提高了載流子遷移率，還降低了載流子陷阱的影響，這使得器件在高光強(qiáng)下的表現(xiàn)更為穩(wěn)定。同時(shí)，vdW轉(zhuǎn)移技術(shù)也顯著減少了通道/介質(zhì)界面上的電荷陷阱，這對(duì)于提高FETs的開關(guān)速度和穩(wěn)定性至關(guān)重要。綜上所述，這項(xiàng)工作不僅為制造高性能2D材料器件提供了一種新的有效途徑，同時(shí)也為進(jìn)一步探索和優(yōu)化這類材料的應(yīng)用開辟了新的方向。

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