大面積石墨烯無損潔凈轉(zhuǎn)移方法

石墨烯優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)等性質(zhì)，使其在高端電子、光電子器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition， CVD）方法制備的石墨烯薄膜材料具有質(zhì)量高、大面積、層數(shù)可控等優(yōu)點(diǎn)。然而石墨烯薄膜通常需要在金屬襯底上制備，為實(shí)現(xiàn)其后續(xù)功能應(yīng)用，通常需要將金屬襯底上制備的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至目標(biāo)功能襯底上，而大面積石墨烯轉(zhuǎn)移過程中通常會產(chǎn)生石墨烯破損、褶皺和污染等問題，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)移后石墨烯的性質(zhì)。因此如何實(shí)現(xiàn)石墨烯大面積無損、潔凈轉(zhuǎn)移仍是石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域的研究技術(shù)瓶頸，亟待解決。

針對這一問題，最近，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉忠范課題組、彭海琳課題組、材料學(xué)院林立課題組與中科院力學(xué)所魏宇杰課題組通過設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移媒介的分子結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移媒介聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate， PMMA）加入含羥基易揮發(fā)小分子，確保了石墨烯與目標(biāo)功能襯底之間的共形接觸，進(jìn)而通過機(jī)械剝離方法實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移介質(zhì)與石墨烯的分離，得到了潔凈、完整的石墨烯表面，實(shí)現(xiàn)了大面積石墨烯薄膜無損潔凈轉(zhuǎn)移。研究成果以“Large-area transfer of two-dimensional materials free of cracks， contamination and wrinkles via controllable conformal contact”為題，近期發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications 2022， 13， 4409）上。

文章指出，石墨烯薄膜成功轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵是通過轉(zhuǎn)移媒介的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其與目標(biāo)襯底之間的共形接觸。由于石墨烯和目標(biāo)襯底的良好貼合，可以有效避免轉(zhuǎn)移中石墨烯受到應(yīng)力而產(chǎn)生的破損和褶皺問題。對于硅基襯底，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了含羥基的揮發(fā)性小分子嵌入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）鏈中作為轉(zhuǎn)移媒介，通過加熱，小分子揮發(fā)，導(dǎo)致PMMA鏈重新堆疊，推動石墨烯和目標(biāo)襯底共形貼合，成功實(shí)現(xiàn)4英寸晶圓石墨烯完整轉(zhuǎn)移。對于粗糙度較高的聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene glycol terephthalate， PET）襯底，通過將低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚碳酸亞丙酯嵌入PMMA鏈中，加熱后聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變使得石墨烯在PET表面鋪展浸潤，可以成功實(shí)現(xiàn)A4尺寸石墨烯薄膜的完整轉(zhuǎn)移，完整度可達(dá)99%。

在傳統(tǒng)的石墨烯轉(zhuǎn)移方法中，采用PMMA作為轉(zhuǎn)移媒介，再利用丙酮溶解去除PMMA。然而，PMMA通常難以完全去除，導(dǎo)致石墨烯表面殘留污染物。對此，研究團(tuán)隊(duì)提出了通過共形接觸使石墨烯和目標(biāo)襯底具有強(qiáng)作用力，進(jìn)而后續(xù)可以直接剝離去除轉(zhuǎn)移媒介，替代了傳統(tǒng)的丙酮除膠的方法，大大節(jié)約成本的同時可以實(shí)現(xiàn)批量化轉(zhuǎn)移。借助原子力顯微鏡可以清楚顯示石墨烯表面潔凈無污染。為評估轉(zhuǎn)移后石墨烯的電學(xué)性質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了氮化硼封裝石墨烯器件，經(jīng)測試可知其室溫遷移率可達(dá)120000 cm2/Vs，低溫（4K）遷移率高達(dá)1420000 cm2/Vs。該轉(zhuǎn)移方法也適用于MoS2等二維材料的轉(zhuǎn)移。

圖 大面積石墨烯薄膜無損潔凈轉(zhuǎn)移方法和性質(zhì)評估

該論文的共同通訊作者為北京大學(xué)劉忠范教授、林立特聘研究員、彭海琳教授和中國科學(xué)院力學(xué)研究所魏宇杰研究員。共同第一作者是北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士研究生趙一萱、北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士后宋雨晴、北京石墨烯研究院胡兆寧博士和曼徹斯特大學(xué)博士后王文棟。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、北京市科委、北京分子科學(xué)國家研究中心等項(xiàng)目資助。

審核編輯 ：李倩