CN112670160B

CN112670160B - 分子束外延兼容的二维材料衬底的制备方法

Info

Publication number: CN112670160B
Application number: CN202011533170.8A
Authority: CN
Inventors: 李利安; 赵方圆; 翟慎强; 刘峰奇
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-12-09
Anticipated expiration: 2040-12-22
Also published as: CN112670160A

Abstract

一种分子束外延兼容的二维材料衬底的制备方法，该制备方法包括制备第一过渡转移片；将二维材料放置在两个第一过渡转移片中间，其中，两个第一过渡转移片的金属薄膜层均与二维材料接触；加热第一过渡转移片，使部分二维材料融化嵌入金属薄膜层中，冷却后将两个第一过渡转移片分离，得到附有二维材料的第二过渡转移片；将第二过渡转移片附有二维材料的一面与待转移的衬底接触；加热衬底使二维材料附着在衬底上，降温后将第二过渡转移片与衬底分离，得到附有二维材料的衬底。本发明所述方法无需使用胶带等有机粘性物质，即可实现二维材料的解理、减薄、并转移至常规分子束外延衬底，所得衬底晶体质量高、无污染，超高真空兼容。

Description

分子束外延兼容的二维材料衬底的制备方法

技术领域

本发明涉及分子束外延衬底制备领域，尤其涉及一种分子束外延兼容的二维材料衬底的制备方法。

背景技术

半导体材料在电子信息领域具有非常重要的地位，高性能的电子器件必须以高质量材料为支撑。分子束外延是一种超高真空材料生长技术，广泛应用于高质量半导体材料的外延。在一般的外延中，外延材料和衬底之间需要满足晶格匹配条件，否则随着外延过程的进行，晶格失配带来的应力积累，就会在界面产生大量位错等缺陷，严重影响晶体质量。而晶格匹配条件通常不容易满足，比如，第三代半导体材料氮化铝、氮化镓等的外延，无法找到一种晶格常数和热膨胀系数与之匹配的高质量衬底，使得这类材料外延层中的位错密度通常比砷化镓、硅锗材料体系高出几个数量级。因此高质量外延材料的制备往往受限于衬底的选择。

近年来，石墨烯、过渡金属硫族化合物等二维材料的兴起为分子束外延领域提供了新的思路。以二维材料为外延衬底，由于其表面没有悬挂键，吸附原子无需与衬底结合形成强烈的共价键，而是以较弱的范德华力结合，使得外延材料和衬底之间，即便晶格常数差别很大，也不会有大量应力积累，即无需满足严格的晶格匹配。有望成为一种新的高质量材料制备手段。

然而，分子束外延对衬底的晶体质量和洁净度要求很高。通常机械剥离的方法很容易制备高晶体质量的二维材料，但这种方法与分子束外延技术并不兼容。因为机械剥离方法一般要用到胶带等有机粘性物质实现二维材料的解理、减薄，在得到二维材料的同时，会在衬底上残留有机物。而分子束外延衬底需要在超高真空中加热，残留的有机物受热后会释放大量气体，这将会显著降低真空度，给腔室和外延材料带来严重的杂质污染。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种分子束外延兼容的二维材料衬底的制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本发明提供了一种分子束外延兼容的二维材料衬底的制备方法，包括：

(1)在金属箔上沉积金属黏附层，在金属黏附层上沉积金属薄膜层，得到第一过渡转移片；

(2)将二维材料放置在两个第一过渡转移片中间，其中，两个第一过渡转移片的金属薄膜层均与二维材料接触；

(3)加热第一过渡转移片，使部分二维材料融化嵌入金属薄膜层中，冷却后将两个第一过渡转移片分离，得到附有二维材料的第二过渡转移片；

(4)将第二过渡转移片附有二维材料的一面与待转移的衬底接触；加热衬底使二维材料附着在衬底上，降温后将第二过渡转移片与衬底分离，得到附有二维材料的衬底。

基于上述技术方案可知，本发明的分子束外延兼容的二维材料衬底的制备方法相对于现有技术至少具有以下优势之一或一部分：

1、本发明所述方法无需使用胶带等有机粘性物质，即可实现二维材料的解理、减薄、并转移至常规分子束外延衬底，所得衬底晶体质量高、无污染，超高真空兼容；

2、本发明所述方法适用于各种常见衬底和二维材料的组合，可以将大多数二维材料薄层转移至硅、锗、砷化镓等分子束外延常见衬底，具有普遍性；

3、本发明所述方法制备的二维材料晶体质量高，不仅适用于分子束外延，还可兼容于洁净度要求更低的化学气相沉积等其它材料生长手段；

4、本发明所述方法，操作简单、快捷、效率高、无需昂贵设备，在绝大部分实验室均可实现。

附图说明

图1为本发明实施例1中步骤一制得的铝箔结构示意图；

图2为本发明实施例1中步骤二形成的结构示意图；

图3为本发明实施例1中步骤三所得到的铝箔结构示意图；

图4为本发明实施例1中步骤四制得的铝箔结构示意图；

图5为本发明实施例1中步骤六形成的结构示意图；

图6为本发明实施例1中步骤七制得的铝箔剖面结构示意图；

图7为本发明实施例1中步骤七制得的铝箔俯视方向结构示意图。

附图标记说明：

1、铝箔；2、钛层；3、铟层；4、MoS₂块材；5、加热板；6硅衬底。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种与分子束外延兼容的二维材料衬底制备方法，以解决现有的机械剥离制备的二维材料会残留有机物而不能作为分子束外延衬底这一问题。本发明公开了一种分子束外延兼容的二维材料衬底制备方法。包括：在金属箔上沉积低熔点金属，利用金属箔上的低熔点金属解理减薄二维材料块材，再将减薄后的二维材料转移至分子束外延常用的衬底，形成分子束外延兼容的二维材料衬底。

本发明公开了一种分子束外延兼容的二维材料衬底的制备方法，包括：

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中所述金属箔包括铝箔、锡箔、铜箔中的任一种。

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中所述金属黏附层采用的材料包括金、钛、镍中的任一种。

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中所述金属薄膜层采用的材料包括铟、镓铟合金或镓铟铋合金中的任一种。

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中所述金属薄膜层的熔点为50至200℃。

在本发明的一些实施例中，步骤(2)中所述二维材料包括石墨、过渡金属硫族化合物、主族金属硫族化合物、第五主族单质及其合金中的任一种。

在本发明的一些实施例中，所述二维材料包括石墨和二硫化钼中的任一种。

在本发明的一些实施例中，步骤(3)中所述加热第一过渡转移片中加热温度高于金属薄膜层的熔点温度，加热时间为0.5至2分钟；

在本发明的一些实施例中，步骤(3)中所述加热第一过渡转移片中在加热的同时按压第一过渡转移片。

在本发明的一些实施例中，步骤(4)中所述衬底采用的材料包括硅、锗、砷化镓、磷化铟、砷化铟、锑化镓、氧化铝、钛酸锶中的任一种。

在本发明的一些实施例中，步骤(4)中所述加热衬底中加热温度为金属薄膜层的熔点温度+20℃。

在一个优选实施例中，本发明提供的一种分子束外延兼容的二维材料衬底制备方法，包括：

步骤一：取一超高真空用铝箔，在其上表面沉积一层金属黏附层；再于该金属黏附层上沉积一层低熔点(50-200℃)金属薄膜层。

其中，所述金属黏附层包括金、钛或镍，优选钛；低熔点金属薄膜包括铟、镓铟合金或镓铟铋合金，优选铟。所述沉积方法包括电子束蒸发或热蒸发，优选热蒸发。

其中，所述铝箔的厚度为8-20微米、优选10微米。

其中，所述金属黏附层的厚度为1-5纳米、优选3纳米。

其中，所述金属薄膜层的厚度为0.5-2微米、优选1微米。

步骤二：将步骤一得到的铝箔裁剪成若干小片，取一片置于加热板上，低熔点金属膜覆盖面朝上，将二维材料块材平铺在所述铝箔上，再取另一片铝箔，低熔点金属膜覆盖面朝下，置于二维材料上方，使该二维材料块材平整的夹持在两片铝箔之间，并且上下表面都接触低熔点金属。

步骤二所述二维材料块材包括石墨、过渡金属硫族化合物、主族金属硫族化合物、第五主族单质及其合金。作为优选，所述二维材料为石墨和二硫化钼。

步骤三：用载玻片按压上层铝箔，并通过热板加热铝箔至低熔点金属的熔点以上，使低熔点金属融化，维持一段时间，再将温度降至室温(25-35℃)，使低熔点金属凝固，并且与二维材料块材的上下表面及侧面形成牢固的接触。

其中，所述加热温度为低熔点金属熔点以上10-20℃，维持时间为0.5-2分钟，优选1分钟。

步骤四：快速撕去上层铝箔，上下层铝箔上的低熔点金属表面会附着新鲜解理的二维材料。

步骤五：将一片超高真空铝箔至于热板上，取一分子束外延常用的衬底，用氧等离子体清洗，去除表面水汽；然后使其抛光面朝上，置于铝箔上，热板温度设定为高于低熔点金属熔点。

其中，所述常用衬底包括硅、锗、砷化镓、磷化铟、砷化铟、锑化镓、氧化铝、钛酸锶。

其中，所述热板温度为高于低熔点金属10-20℃。

步骤六：将步骤四得到的带有二维材料的铝箔，使附着二维材料一面朝下，盖在步骤五所述衬底上，同时按压铝箔，维持一段时间，使二维材料和衬底之间紧密接触。

其中，所述维持时间为0.5-2分钟、优选1分钟。

步骤七：将热板温度降至低熔点金属熔点以下，快速撕去上层铝箔。形成上述常规衬底上的二维材料薄层衬底。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

本实施例将二硫化钼二维材料通过铝箔和低熔点金属铟，无污染地转移至硅衬底上。

步骤一：取一片厚度8-20微米的超高真空用铝箔1，在其上表面用热蒸发沉积3纳米厚的钛，形成钛层2；随后沉积1微米厚的铟，形成铟层3，得到如图1所示的结构。

步骤二：将步骤一得到的铝箔裁剪成两片，取一片置于加热板5上，铟层3覆盖面朝上，将适当减薄的MoS₂块材4平铺在所述铝箔上，再取另一片铝箔，铟覆盖面朝下，置于MoS₂块材4上方，此时MoS₂块材4被平整地夹持在两片铝箔之间，并且上下表面都与铟接触。形成图2所示结构。

步骤三：用载玻片按压上层铝箔，并通过热板5加热铝箔至166-176℃，使铟融化，维持按压0.5-2分钟，MoS₂块材4将会嵌入融化的金属铟中，再将温度降至室温，使金属铟凝固，此时MoS₂块材4的上下表面及侧面与固态铟形成牢固的接触。结构如图3所示。

步骤四：快速撕去上层铝箔，上下层铝箔上的金属铟表面会附着新鲜解理的MoS₂。形成图4所示结构。

步骤五：将一片超高真空铝箔至于热板上，取一50.8mm直径的硅衬底6，用氧等离子体清洗1分钟，去除表面水汽；然后使硅衬底抛光面朝上，置于铝箔上，热板温度设定为166-176℃。

步骤六：将步骤四得到的带有MOS₂新鲜解理面的铝箔，使附着MoS₂一面朝下，盖在步骤五所述硅衬底上，同时按压步骤四得到的铝箔，维持0.5-2分钟，使MoS₂和硅衬底之间充分紧密接触。形成图5所示结构。

步骤七：将热板温度降至60-80℃，快速撕去步骤六中的上层铝箔，二维材料MoS₂将会被解理以及附着在硅衬底上。得到硅衬底上的无残留物MoS₂薄层，结构如图6所示，俯视图如图7所示，该硅片上的MoS₂薄层晶体质量高，无污染，可用作分子束外延衬底。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种分子束外延兼容的二维材料衬底的制备方法，包括：

(2)将二维材料放置在两个第一过渡转移片中间，其中，两个第一过渡转移片的金属薄膜层相对放置并分别与二维材料的上下表面接触；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

步骤(1)中所述金属箔包括铝箔、锡箔、铜箔中的任一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

步骤(1)中所述金属黏附层采用的材料包括金、钛、镍中的任一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

步骤(1)中所述金属薄膜层采用的材料包括铟、镓铟合金或镓铟铋合金中的任一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

步骤(1)中所述金属薄膜层的熔点为50至200℃。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

步骤(2)中所述二维材料包括石墨、过渡金属硫族化合物、主族金属硫族化合物、第五主族单质及其合金中的任一种。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，

所述二维材料包括石墨和二硫化钼中的任一种。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

步骤(3)中所述加热第一过渡转移片中加热温度高于金属薄膜层的熔点温度，加热时间为0.5至2分钟；

步骤(3)中所述加热第一过渡转移片中在加热的同时按压第一过渡转移片。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

步骤(4)中所述衬底采用的材料包括硅、锗、砷化镓、磷化铟、砷化铟、锑化镓、氧化铝、钛酸锶中的任一种。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

步骤(4)中所述加热衬底中加热温度高于金属薄膜层熔点温度10-20℃。