CN113206005A - 二维材料拉应变工程的激光制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维材料拉应变工程的激光制造方法，包括以下步骤：首先在基底上沉积金属薄膜，再在金属薄膜上转移二维材料，使用激光直接扫描可将金属薄膜转变为纳米颗粒，最后使用脉冲激光冲击金属纳米颗粒进行处理，使覆盖在纳米颗粒上的二维材料产生局部的应变。本发明的方法可避免二维材料转移到表面粗糙度较大的衬底过程中导致的材料破裂及二次缺陷的产生；选取合适波长和功率的激光扫描金属薄膜能在不损伤二维材料的前提下对其形貌进行可控调整；通过进一步的激光冲击处理，二维材料能产生局部的应变，进而改变二维材料的能带结构，大幅提高二维材料的载流子迁移率等电学性能，可适用于高性能场效应晶体管等电子器件。
Description
技术领域
本发明涉及二维半导体材料应变工程的技术领域，具体涉及一种二维材料拉应变工程的激光制造方法。
背景技术
传统硅基集成电路产业赖以生存的摩尔定律日益逼近物理极限，带来产学界对于集成电路产业未来发展的担忧。这一背景下，二维电子材料如石墨烯、MoS2、WSe2等凭借其独特原子级别的厚度及出色的栅控能力等优势脱颖而出，被视为有望取代硅基材料的后备材料之一，在晶体管领域、光电探测器领域以及存储器领域都有巨大的应用潜力。理论和实验结果表明，机械应变会强烈扰动2D材料的能带结构，从而可以通过机械变形来有效调节其电子和光子性。实际上，这种称为应变工程的原理现在通常用于制造传统的半导体器件。
目前所使用的使二维材料产生应变的方法主要分为两类：面内模式和面外模式。面内模式包括在生长二维材料过程中利用衬底与二维材料间的晶格失配或是热膨胀系数的差异引起二维材料的应变。面外模式包括压缩或预拉伸基板引起二维材料皱折、弯曲弹性基底上的二维材料或在图案化衬底上转移二维材料再通过纳米压印等方式来实现二维材料的应变。这些方法有各自的局限性，如利用晶格失配引起二维材料的应变使用的衬底不适用于电子器件的制备，利用图案化衬底多涉及到电子束光刻等昂贵且耗时长的工艺并且不能够大规模制造。因此，开发一种操作简单且适用于大规模制造的二维材料可控应变的方法具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维材料拉应变工程的激光制造方法，通过激光冲击使得与金属纳米颗粒接触的二维材料产生局部的变形，对二维材料的能带结构进行调整，进而提高二维材料的电学性能并应用于二维材料电子器件。
本发明实现目的所采用的方案是：一种二维材料拉应变工程的激光制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在基底上沉积金属薄膜；
(2)在金属薄膜上转移单层或少层的二维半导体材料；
(3)将覆盖有二维材料的金属薄膜用激光器直接辐照以形成金属纳米颗粒；
(4)使用脉冲激光冲击对激光扫描处理后的金属纳米颗粒进行处理，使覆盖在纳米颗粒上的二维材料产生局部的应变。
作为优选方案，所述步骤(1)中，基底包括Si/SiO2、Si、石英、蓝宝石。
进一步地，所述步骤(1)中，沉积的金属薄膜包括Au、Ag、Al、Ti、Cu，薄膜厚度为1-20nm。
更进一步地，所述步骤(1)中，沉积金属薄膜的方式为磁控溅射、原子层沉积、化学气相沉积、脉冲激光沉积、电子束蒸发中的一种。
更进一步地，所述步骤(3)中，所使用的激光器类型包括连续激光器、纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器、飞秒脉冲激光器，激光功率大于15W，照射时间小于1min，样品放置在激光焦点处或者离焦1-5cm。
更进一步地，所述步骤(4)中，使用脉冲激光冲击的方法具体为：
在所述二维材料表面依次覆盖吸收层和透光层，利用脉冲激光垂直照射透光层；脉冲激光冲击所用激光器包括纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器；所述激光波长包括1064nm、532nm、355nm和266nm，频率为1Hz及以上，激光功率密度大于10-3GW/cm2，照射时间小于1min。
更进一步地，所述步骤(4)中，使用脉冲激光冲击的方法具体为：
在所述二维材料表面依次覆盖吸收层和透光层，利用脉冲激光垂直照射透光层；脉冲激光冲击所用激光器包括纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器；所述激光波长包括1064nm、532nm、355nm和266nm，频率为1Hz及以上，激光功率密度大于10-3GW/cm2，照射时间小于1min。
更进一步地，所述步骤(4)中，为了防止激光冲击强度过大使吸收层破裂从而导致对二维材料的污染，在吸收层和二维材料间滴加不溶解二维材料及金属颗粒的液体，如去离子水、无水乙醇。
本发明具有以下优点和有益效果：
本发明的二维材料拉应变工程的激光制造方法，利用物理或化学等沉积方式沉积金属薄膜在基底表面，再通过干法或湿法转移等方式转移单层或多层二维材料，采用合适波长的激光扫描覆盖二维材料的金属薄膜，使金属薄膜在光和热的作用下形貌发生改变从而形成粗糙程度不同的纳米颗粒。为了使二维材料产生局部的应变，使用脉冲激光辐照吸收层产生的高速冲击波作用于转移的二维材料，使其产生～5％的应变。本发明方法可避免二维材料转移到表面粗糙度较大的衬底过程中导致的材料破裂及二次缺陷的产生。选取合适波长和功率的激光扫描金属薄膜能在不损伤二维材料的前提下对其形貌进行可控调整。通过进一步的激光冲击处理，二维材料能产生局部的应变，进而改变二维材料的能带结构，大幅提高二维材料的载流子迁移率等电学性能，应变二维材料可适用于高性能场效应晶体管等电子器件。与现有技术相比，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：
将二维材料单层或多层薄膜直接转移到连续平整金属薄膜上能够避免二维材料的破损及二次缺陷的产生；选取合适波长的激光器(激光波长的选取取决于二维材料的光学带隙)辐照样品表面能够在不影响二维材料的同时使金属薄膜在光和热的作用下形貌发生改变，并且通过控制激光的功率和激光器的类型能够对形貌进行调控；激光冲击的方式能够在很小的面积和纳秒时间尺度上产生高达GPa的压强，能够使二维材料在金属纳米颗粒上产生局部的应变，大幅提高二维材料的载流子迁移率等电学性能。
附图说明
图1-图5为本发明二维材料拉应变工程的激光制造方法的过程示意图：
图1为沉积有金属薄膜的基底的示意图；
图2为转移有二维材料的金属薄膜/衬底的示意图；
图3为经过脉冲激光辐照后金属薄膜形成金属颗粒的示意图；
图4为脉冲激光冲击处理转移有二维材料/金属纳米颗粒/衬底的示意图；
图5为二维材料产生应变后的示意图；
其中：1.SiO2/Si衬底，2.金属薄膜，3.金属纳米颗粒，4.二维材料，5.吸收层，6.透光层，7.变形后的二维材料。
图6为磁控溅射生长的Ag薄膜的SEM图；
图7为Ag薄膜经激光辐照后的SEM图；
图8为覆盖MoS2的Ag薄膜经激光辐照后的SEM图。
图9为激光辐照MoS2前后的PL光谱。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明中涉及的转移、沉积方式、衬底及基片都是现有技术，不属于本发明的创新点，在此仅做应用。转移包括但不限定为干法转移或湿法转移等。沉积方式包括但不限定为原子层沉积、化学气相沉积、磁控溅射、电子束沉积、脉冲激光沉积、物理气相沉积等。
实施例1
本发明二维材料拉应变工程的激光制造方法，具体步骤如下：
(1)将SiO2/Si衬底1在丙酮、酒精、去离子水中反复清洗并用氮气烘干；
(2)使用物理气相沉积在SiO2/Si衬底1的表面沉积厚度为2nm的Ag薄膜2如图1所示；
(3)使用旋涂仪在SiO2/Si衬底上生长的MoS2上均匀旋涂PMMA溶液，在100℃的真空环境中烘干；
(4)把固化好的带PMMA的SiO2/Si放在2mol/L的氢氧化钾溶液里浸泡1-2小时，PMMA薄膜将与基底自然分离；
(5)用沉积有Ag薄膜2的SiO2/Si衬底1从下往上把PMMA薄膜捞起来，自然晾干后，用80℃的加热板加热已经有MoS2/PMMA的SiO2/Si衬底1，通过丙酮浸泡刻蚀掉残留的PMMA后即完成MoS24的转移，如图3所示；
(6)将MoS2/Ag/SiO2/Si样品固定在距纳秒脉冲激光器的出光口5cm处，调节激光波长为1064nm，激光器电源电压为700V，照射时间为1s，经过脉冲激光辐照后Ag薄膜2变为Ag纳米颗粒3；
(6)在MoS2/Ag纳米颗粒/SiO2/Si样品的MoS2上滴加1-2滴去离子水，并将涂覆石墨的厚度为10μm的铝箔吸收层5和透光层6放置在样品上；利用脉宽10ns，波长为1064nm的Nd-YAG激光器所发出的脉冲激光垂直照射透光层，调节激光器电源电压为620V，照射时间为1s，经过冲击后MoS2发生形变，得到应变MoS27，如图4和图5所示；
(7)通过场发射扫描电镜测试的激光处理前后样品的微观形貌如图6-8所示。图6为磁控溅射生长的Ag薄膜，可以看出生长的为连续薄膜，表面平整，无明显缺陷。图7为Ag薄膜经激光辐照后的微观形貌，Ag薄膜在激光的光和热作用下晶粒收缩变为Ag纳米颗粒。图8为覆盖MoS2的Ag薄膜经激光辐照后的微观形貌图，在激光的作用下Ag薄膜仍然形成了纳米颗粒，并且MoS2未发生破损。白色小框标记的区域可以看到纳米颗粒将单层MoS2支撑起来形成了局部的应变。通过拉曼测试系统在532纳米激光激发下测试了激光处理前后MoS2的光致发光谱，如图9所示。在激光处理后，MoS2的光致发光谱的特征峰往长波长方向移动，即红移。这表明MoS2的能带结构发生了变化，通过对比文献证明能带结构的改变是由于MoS2的局部应变造成的。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种二维材料拉应变工程的激光制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在基底上沉积金属薄膜；
(2)在金属薄膜上转移单层或少层的二维半导体材料；
(3)将覆盖有二维材料的金属薄膜用激光器直接辐照以形成金属纳米颗粒；
(4)使用脉冲激光冲击对激光扫描处理后的金属纳米颗粒进行处理，使覆盖在纳米颗粒上的二维材料产生局部的应变。
2.根据权利要求1所述的二维材料拉应变工程的激光制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中，基底包括Si/SiO2、Si、石英、蓝宝石。
3.根据权利要求1或2所述的二维材料拉应变工程的激光制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中，沉积的金属薄膜包括Au、Ag、Al、Ti、Cu，薄膜厚度为1-20nm。
4.根据权利要求1或2所述的二维材料拉应变工程的激光制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中，沉积金属薄膜的方式为磁控溅射、原子层沉积、化学气相沉积、脉冲激光沉积、电子束蒸发中的一种。
5.根据权利要求3所述的二维材料拉应变工程的激光制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中，沉积金属薄膜的方式为磁控溅射、原子层沉积、化学气相沉积、脉冲激光沉积、电子束蒸发中的一种。
6.根据权利要求1或2或5所述的二维材料拉应变工程的激光制造方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所使用的激光器类型包括连续激光器、纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器、飞秒脉冲激光器，激光功率大于15W，照射时间小于1min，样品放置在激光焦点处或者离焦1-5cm。
7.根据权利要求1或2或5所述的二维材料拉应变工程的激光制造方法，其特征在于：所述步骤(4)中，使用脉冲激光冲击的方法具体为：
在所述二维材料表面依次覆盖吸收层和透光层，利用脉冲激光垂直照射透光层；脉冲激光冲击所用激光器包括纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器；所述激光波长包括1064nm、532nm、355nm和266nm，频率为1Hz及以上，激光功率密度大于10-3GW/cm2，照射时间小于1min。
8.根据权利要求6所述的二维材料拉应变工程的激光制造方法，其特征在于：所述步骤(4)中，使用脉冲激光冲击的方法具体为：
在所述二维材料表面依次覆盖吸收层和透光层，利用脉冲激光垂直照射透光层；脉冲激光冲击所用激光器包括纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器；所述激光波长包括1064nm、532nm、355nm和266nm，频率为1Hz及以上，激光功率密度大于10-3GW/cm2，照射时间小于1min。
9.根据权利要求1或2或5或8所述的二维材料拉应变工程的激光制造方法，其特征在于：所述步骤(4)中，为了防止激光冲击强度过大使吸收层破裂从而导致对二维材料的污染，在吸收层和二维材料间滴加不溶解二维材料及金属颗粒的液体。
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