CN109133174A - 二维材料的转移方法和二维材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体材料技术领域，尤其是涉及一种二维材料的转移方法和二维材料及其应用。所述二维材料的转移方法包括如下步骤：将生长衬底有二维材料的一面与目标衬底相接触，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二维材料从生长衬底到目标衬底的转移。该方法操作简单、快捷且环保，有效地减小了转移过程中薄膜的破裂。通过该方法得到的二维材料具有较好的完整性，而且使用试剂环保、无污染，二维材料具有高品质性和环境友好性，可以组装更加复杂的光电子学元器件。

Description

二维材料的转移方法和二维材料及其应用
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，尤其是涉及一种二维材料的转移方法和二维材料及其应用。
背景技术
目前，二维材料在集成电路上具有非常好的应用前景。二维材料多是在高温下、而且一定气氛下合成，衬底的选择非常有限，需要衬底能够耐高温、耐化学腐蚀。但是这些生长衬底经常不能满足后期器件的制备以及性能调控，因此，将纳米尺度的二维材料完整、无损地从生长衬底上转移到另一个衬底上对于拓展其应用、组装更复杂光电子学元器件是一件非常重要而且有挑战性的工作。
目前，二维材料的转移方法一般需要利用腐蚀剂将二维材料从原衬底上脱离，而且二维材料的载体层，比如聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)需要用丙酮、甲苯或氯苯等有毒的试剂来去除，这些试剂的残余不仅会降低二维材料的品质，而且还会造成对环境的污染。因此，不用化学腐蚀剂的纯物理的转移方法更符合绿色工业生产的需求。在目前的研究中，利用水的表面张力的作用实现分离和转移方法存在三个问题：(1)如果分离过程有聚合物的支撑层存在，薄膜贴合完整，不易碎裂。但是聚合物在后期不易去除干净，容易造成对二维材料的污染。(2)如果分离过程没有聚合物的支撑层，薄膜在水的张力作用下容易碎裂，导致二维材料丢失或者不完整。(3)上面的转移方法将分离和转移分开，相对来说过程比较繁琐、费时。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种二维材料的转移方法，以缓解现有转移技术中存在的聚合物残余、二维薄膜容易受损等问题，将生长衬底有二维材料的一面与目标衬底相接触，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二维材料从生长衬底到目标衬底的转移，该方法操作简单、快捷且环保，有效地减小了转移过程中薄膜破裂的概率。
本发明的另一个目的在于提供由所述的转移方法得到的二维材料，其具有较好的完整性和高品质，而且使用试剂环保、无污染，具有环境友好性。
本发明的另一个目的在于提供一种如上所述的二维材料在集成电路中的应用。该二维材料具有可以拓展其应用，组装更加复杂的光电子学元器件的特点。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种二维材料的转移方法，所述转移方法包括如下步骤：
将生长衬底有二维材料的一面与目标衬底相接触，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二维材料从生长衬底到目标衬底的转移。
优选地，压强为0.1-10MPa；优选地，压强为0.4-0.5MPa。
优选地，压力作用时间为0.15-30min；优选地，压力作用时间为5-10min；
优选地，所采用的压力提供装置包括恒温热压机、脉冲热压机、双工位热压机或双压头脉冲热压机中的至少一种。
优选地，干燥温度为15-90℃，干燥时间为3-10min。
优选地，干燥温度为30-70℃，干燥时间为4-6min。
优选地，所述生长衬底包括硅、二氧化硅、蓝宝石、铜箔或云母中的至少一种。
优选地，所述目标衬底包括硅、二氧化硅、蓝宝石、铜箔或云母中的至少一种。
优选地，生长衬底和目标衬底的位置关系为：生长衬底在上，目标衬底在下；
或者，目标衬底在上，生长衬底在下。
如上所述的二维材料的转移方法得到的二维材料。
如上所述的二维材料在集成电路中的应用。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的二维材料的转移方法，将生长衬底有二维材料的一面与目标衬底相接触，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二维材料从生长衬底到目标衬底的转移，该方法操作简单，只用水可一步实现二维材料的分离和转移，有效地减小了转移过程中薄膜的破裂，最大限度保证了薄膜的完整性。
(2)本发明中的转移方法得到的二维材料具有较好的完整性，并且转移过程中没用到腐蚀性试剂，环保、无污染。
(3)本发明中的转移方法，操作非常简单，可以用来组装更加复杂的逻辑器件，拓展其在集成电路中的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的二维材料的转移过程示意图；
图2为本发明对比例提供的二维材料的转移照片；
图3为本发明实施例提供的二维材料的转移照片。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，一种二维材料的转移方法，所述转移方法包括如下步骤：
如图1所示，将生长衬底有二维材料的一面与目标衬底相接触，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二维材料从生长衬底到目标衬底的转移。
本发明中所用衬底(比如Si/SiO2衬底)具有亲水性，而二维材料具有疏水性，利用它们表面能的差异，对生长衬底与目标衬底施加压力，并向两衬底中间滴加水，可以实现二维材料从生长衬底转移至目标衬底，并保持较好的完整性。
所述水的滴加量没有特殊要求，只要充满两基片之间的缝隙即可。
优选地，所述水的滴加量为10-100μL，水的温度为15-30℃。
水的滴加量典型但非限制性的例如为10μL、20μL、30μL、40μL、50μL、60μL、70μL、80μL、90μL或100μL。
水的温度典型但非限制性的例如为15℃、16℃、17℃、18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃。
通过优化水的滴加量及水的温度，可以进一步提高二维材料的完整性。
优选地，所采用的滴水装置为移液枪，可有效控制水的滴加量，有利于二维材料从生长衬底较完整的转移至目标衬底上。
优选地，压强为0.1-10MPa；优选地，压强为0.4-0.5MPa。
本发明中的压强至关重要，若压强太小，不能保证二维材料的完整性，压强过大，生长衬底和目标衬底容易破碎。如果压强在本发明所保护的范围之外，当不施加压力或者压力过小时，转移后的二维材料不完整，出现破裂现象，如图2所示；如果施加压力在本发明保护的压强范围内，转移后的二维材料具有较好的完整度，如图3所示。
压强典型但非限制性的例如为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa、1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa或10MPa。
通过优化压强，进一步提高二维材料从生长衬底转移到目标衬底后的完整性。
优选地，压力作用时间为0.15-30min；
压力作用时间典型但非限制性的例如为0.15min、1min、2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min、10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min、20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min或30min。
优选地，压力作用时间为5-10min。
优选地，所采用的压力提供装置包括恒温热压机、脉冲热压机、双工位热压机或双压头脉冲热压机中的至少一种。
所采用的压力提供装置没有特殊限制，但优选采用恒温热压机，利用恒温热压机对两衬底进行加压，通过调控压力，使转移后的二维材料具有较高的完整度。压盘的表面光滑平整，且面积大于基片，施压过程中产生垂直应力，不要产生横向剪切力。
优选地，干燥温度为15-90℃，干燥时间为3-10min。
干燥温度典型但非限制性的例如为15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃或90℃。
干燥时间典型但非限制性的例如为3min、3.5min、4min、4.5min、5min、5.5min、6min、6.5min、7min、7.5min、8min、8.5min、9min、9.5min或10min。
优选地，干燥温度为30-70℃，干燥时间为4-6min。
优选地，所述生长衬底包括硅、二氧化硅、蓝宝石、铜箔或云母中的至少一种。
优选地，所述目标衬底包括硅、二氧化硅、蓝宝石、铜箔或云母中的至少一种。
本发明中所述的二维材料包括二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、二硒化钨、石墨烯、氮化硼或硫化镓等。
优选地，生长衬底和目标衬底的位置关系为：生长衬底在上，目标衬底在下；
或者，目标衬底在上，生长衬底在下。
在一种优选的实施方案中，一种二维材料的转移方法，包括如下步骤：
将生长衬底有二维材料的一面与目标衬底相接触，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二维材料从生长衬底到目标衬底的转移；
优选地，所述压强为0.1-10Mpa；
优选地，所述压力作用时间为0.15-30min；
优选地，所述水的滴加量为10-100μL；
优选地，所述水的温度为15-30℃；
优选地，所述干燥温度为15-90℃；
优选地，所述干燥时间为3-10min。
根据本发明提供的方法，可以将不同性质的二维材料叠层组合成更加复杂的器件，用在集成电路中，实现各种逻辑开关功能，或者用于传感器。
本发明中转移后的二维材料具有较高的完整度和晶体质量，并且二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、二硒化铌等具有丰富的物理和化学性质，如荧光特性和超导电性等，可应用于能源、电力、交通、军事等领域，以拓展其作用。
下面结合具体实施例、对比例及附图，对本发明作进一步说明。
实施例1
一种二维材料的转移方法，包括以下步骤：
将硅衬底有二硫化钨的一面向下，置于二氧化硅衬底上，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二硫化钨从硅衬底到二氧化硅衬底的转移；
其中，水的滴加量为10μL，水的温度为15℃，压强为0.1Mpa，压力作用时间为30min，干燥温度为90℃，干燥时间为3min。
实施例2
将蓝宝石衬底有二硫化钼的一面向下，置于另一蓝宝石衬底上，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二硫化钼从原衬底到目标衬底的转移；
其中，水的滴加量为100μL，水的温度为30℃，压强为10Mpa，压力作用时间为0.15min，干燥温度为15℃，干燥时间为10min。
实施例3
一种二维材料的转移方法，包括以下步骤：
将二氧化硅衬底有二硒化钼的一面向下，置于蓝宝石衬底上，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二硒化钼从二氧化硅衬底到蓝宝石衬底的转移。
其中，水的滴加量为20μL，水的温度为28℃，压强为0.3Mpa，压力作用时间为28min，干燥温度为20℃，干燥时间为9min。
实施例4
一种二维材料的转移方法，包括以下步骤：
将铜箔有石墨烯的一面向下，置于另一片铜箔衬底上，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现石墨烯从原衬底到目标衬底的转移。
其中，水的滴加量为90μL，水的温度为17℃，压强为8Mpa，压力作用时间为2min，干燥温度为80℃，干燥时间为4min。
实施例5
一种二维材料的转移方法，包括以下步骤：
将云母衬底有二硫化钼的一面向下，置于硅衬底上，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二维材料从云母衬底到硅衬底的转移。
其中，水的滴加量为70μL，水的温度为25℃，压强为0.4Mpa，压力作用时间为10min，干燥温度为30℃，干燥时间为6min。
实施例6
一种二维材料的转移方法，包括以下步骤：
将蓝宝石衬底有二硫化钼的一面向下，置于二氧化硅衬底上，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二硫化钼从蓝宝石衬底到二氧化硅衬底的转移。
其中，水的滴加量为30μL，水的温度为20℃，压强为0.5Mpa，压力作用时间为5min，干燥温度为70℃，干燥时间为4min。
实施例7
一种二维材料的转移方法，包括以下步骤：
将二氧化硅衬底有石墨烯的一面向上，将硅衬底置于二氧化硅衬底上，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现石墨烯从二氧化硅衬底到硅衬底的转移。
其中，水的滴加量为40μL，水的温度为24℃，压强为0.4Mpa，压力作用时间为10min，干燥温度为30℃，干燥时间为6min。
实施例8
一种二维材料的转移方法，包括以下步骤：
将硅衬底有二硫化钨的一面向上，将蓝宝石置于硅衬底上，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二硫化钨从硅衬底到蓝宝石衬底的转移。
其中，水的滴加量为50μL，水的温度为26℃，压强为0.45Mpa，压力作用时间为8min，干燥温度为50℃，干燥时间为5min。
对比例1
一种二维材料的转移方法，包括以下步骤：
将云母衬底有二硫化钼的一面向下，置于硅衬底上，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二维材料从云母衬底到硅衬底的转移。
其中，水的滴加量为5μL，水的温度为25℃，压强为0.01Mpa，压力作用时间为12min，干燥温度为60℃，干燥时间为5min。
与实施例5不同的是，本对比例中压力太小，不在本发明所要保护的范围之内，而且水量太少，也不在最优的范围里。
对比例2
一种二维材料的转移方法，除不施加压力以外，其他步骤与实施例6相同。
与实施例6不同的是，压力不在本发明所要保护的范围之内。
对比例3
一种二维材料的转移方法，除压力作用时间为0.05min以外，其他步骤与实施例7相同。
与实施例7不同的是，压力作用时间不在本发明所要保护的范围之内。
对比例4
一种二维材料的转移方法，除干燥温度为120℃以外，其他步骤与实施例8相同。
与实施例8不同的是，干燥温度不在本发明所要保护的范围之内。
试验例
将实施例和对比例转移后的二维材料通过显微镜观察其完整度，并进行对比，转移后二维材料的完整度如表一所示。
表一实施例与对比例转移后二维材料的完整度
由表一可知，通过本发明的转移方法，实施例1-8得到的二维材料具有较高的完整度，完整率高达80％以上，并且通过优化水的滴加量、水的温度、压强、压力作用时间、干燥温度和干燥时间，转移后二维材料的完整度进一步提高。
对比例1中压力不在本发明所要保护的范围之内，而且水的滴加量也太少，转移后的二维材料与实施例5相比，完整度较差，碎裂较严重。
对比例2与实施例6的区别是不施加压力，转移后二维材料的完整性较差，薄膜破损非常严重。
对比例3与实施例7的区别是，压力作用时间太短，不在本发明要保护的范围之内，对比例3转移后的二维材料的完整度不如实施例7的好。
对比例4与实施例8的区别是，干燥温度过高，不在本发明要保护的范围之内。温度太高，干燥速度太快，不利于薄膜的完整性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种二维材料的转移方法，其特征在于，所述转移方法包括如下步骤：
将生长衬底有二维材料的一面与目标衬底相接触，先对两衬底进行加压，然后向两衬底中间滴水，压力保持一段时间后，卸掉压力，再干燥，实现二维材料从生长衬底到目标衬底的转移。
2.根据权利要求1所述的二维材料的转移方法，其特征在于，压强为0.1-10MPa；优选地，压强为0.4-0.5MPa。
3.根据权利要求1所述的二维材料的转移方法，其特征在于，压力作用时间为0.15-30min；优选地，压力作用时间为5-10min；
优选地，所采用的压力提供装置包括恒温热压机、脉冲热压机、双工位热压机或双压头脉冲热压机中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的二维材料的转移方法，其特征在于，干燥温度为15-90℃，干燥时间为3-10min。
5.根据权利要求1所述的二维材料的转移方法，其特征在于，干燥温度为30-70℃，干燥时间为4-6min。
6.根据权利要求1所述的二维材料的转移方法，其特征在于，所述生长衬底包括硅、二氧化硅、蓝宝石、铜箔或云母中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的二维材料的转移方法，其特征在于，所述目标衬底包括硅、二氧化硅、蓝宝石、铜箔或云母中的至少一种。
8.根据根据权利要求1所述的二维材料的转移方法，其特征在于，生长衬底和目标衬底的位置关系为：生长衬底在上，目标衬底在下；
或者，目标衬底在上，生长衬底在下。
9.采用权利要求1-8任一项所述的二维材料的转移方法得到的二维材料。
10.权利要求9所述的二维材料在集成电路中的应用。
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