悬空二维材料的快捷制备

二维材料是是人类迄今为止发现的最薄的材料,厚度只有一层至数层原子。典型的代表有石墨烯、过渡金属硫化物、氮化硼等等。二维材料因涵盖了导体、半导体和绝缘体而成为超薄柔性电子器件最佳的备选材料。因为二维材料本身就是表面,其性能极大地受到了衬底的影响。研究证明减小衬底影响有助于进一步提高二维材料和器件的性能,而最佳方法之一就是制备悬空结构。研究表明,悬空结构可以显著提高石墨烯的电子迁移率。 

美国莱斯大学(Rice University)Pulickel Ajayan课题组的博士后研究员李波(Bo Li) 博士和中国兰州大学何勇民 (Yongmin He)博士合作开发了一种快速、清洁和普适的转移技术用以制备二维材料的悬空结构和器件。这是一种基于图形化衬底的转移技术,通过湿法接触印刷(Wet Contact Printing)方法直接将原子级厚度的二维材料单晶 (包括石墨烯,硫化钼,硒化钼,硫化钨)转移到不同材质(包括柔性和非柔性衬底)和图形化的衬底上。 该方法可以用来直接在纳米金属电极上制备更为高效的光电探测器。相同的方法还可以拓展到其他纳米材料(纳米管,纳米线等)悬空结构的制备。suspended MoS2 on nanostrips during transfer

 图片由东北大学(Northeastern University)Sanghyun Hong提供。

湿法接触印刷法分为三步:接触(contact),刻蚀(etching)和干燥(drying)。以硫化钼(MOS2)(生长于二氧化硅/硅衬底)和硅橡胶目标衬底(PDMS)为例。首先MoS2/SiO2/Si衬底和纳米图形化的PDMS衬底面对面接触到一起,并将PDMS衬底置于底部。第二,将稀释的氢氟酸溶液溶液到滴到PDMS衬底上,溶液需要将MoS2/SiO2/Si样品覆盖住。一分钟内氢氟酸会刻蚀掉SiO2牺牲层,MoS2将被释放到PDMS衬底上。第三,将Si衬底 (SiO2 已经被刻蚀)与PDMS层分离,倾斜PDMS衬底或者用吸水纸将剩余的氢氟酸清除。 

湿法接触印刷法的核心是控制溶液在目标衬底表面的浸润。通过表面结构的设计,衬底表面和二维材料附近形成疏水结构。转移过程中,二维材料与衬底底部始终存在一个空气囊,极大程度的避免了毛细管力对悬空结构的破坏。毛细管力是制备微纳尺度悬空结构的最大障碍。传统的电子行业在制备微纳机电系统过程中通常采用临界点干燥的方法克服毛细管力。而湿法接触印刷法中溶液的刻蚀和移除过程中避免了毛细管力作用于悬空二维材料,从而极大的提高的悬空结构的成功率和制备效率。 

相比于传统的借助聚合物薄膜为媒介的转移方法,湿法接触印刷法更简单,更快捷,也更清洁,而且特别适用于化学气相沉积法制备的二维材料。以最常用的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 辅助转移法为对比,其基本步骤是将PMMA旋涂于长有二维材料的SiO2/Si衬底表面。刻蚀SiO2后,二维材料被转移到PMMA上。带有二维材料的PMMA可以转移到任意衬底上。最后PMMA可以通过加热或者溶解的方法进行去除。该方法的局限在于:1. 时间长。仅刻蚀操作就需要数个小时。2. 聚合物残留。很多研究表明,完全清除PMMA是非常困难的。残留的聚合物可能影响二维材料的性能。相比而言,湿法接触印刷法的刻蚀时间只需要一分钟,所有的操作可在数分钟内结束。而且,氢氟酸溶液能够完全挥发,不会留下残留,使得制得的器件更加清洁。 

悬空二维材料在下一代电子器件中有着广泛的应用前景,比如更高效的光电器件,各种传感器,微纳机电系统,微纳共振器和驱动原件等等。李波等通过该方法在纳米插指电极(金/银电极)上直接制备悬空硫化钼光电探测器,其敏感程度为非悬空器件的数倍。该方法与柔性衬底的结合可以进一步拓展到可穿戴电子器件。该方法有望进一步和卷到卷(roll-to-roll)工艺结合从而实现大规模电子器件的制备。

该工作由美国莱斯大学Pulickel Ajayan课题组、Jun Lou课题组和美国东北大学的Yung Joon Jung课题组共同完成。该项研究被发表在《Nano Letters》上。