CN117446797A - 一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，包括：步骤S1、将不同的二维材料剥离到衬底上；步骤S2、制备拾取样品载玻片和翻转样品载玻片；步骤S3、使用拾取样品载玻片依次拾取不同的二维材料，使二维材料形成二维同/异质结构；步骤S4、翻转样品载玻片贴合拾取样品载玻片后进行加热，使拾取的二维同/异质结构转移到翻转样品载玻片上；步骤S5、加热翻转样品载玻片，把拾取的二维同/异质材料转移到衬底上，完成转移。通过上述设计，本申请能够实现大面积、洁净界面的二维同/异质结构的转移。

Description

一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法

技术领域

本发明属于二维材料堆叠领域，具体涉及一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法。

背景技术

近年来，二维层状材料(如石墨烯、过渡金属硫化物和六方氮化硼等)机械剥离和相应的堆叠技术的出现使实现材料原子层级调控成为可能，由于原子层厚度而导致的量子限制会导致一些额外特性或性质的出现，而对其堆叠界面的精细表征是解释这些新现象的重要手段，目前，主流的表征手段包括多种模式的原子力显微镜、扫描电子显微镜等。上述表征手段都要求制备样品的界面具有极高的洁净度，但现有的堆叠技术很难保证这个要求。

目前制备同/异质结结构的转移方法主要包括湿转移法和干转移法。其中湿转移法是在堆叠完成后用水或N-甲基吡咯烷酮溶液溶去拾取材料的薄膜以使样品表面暴露；干转移法是将有样品的薄膜利用外力从聚二甲基硅氧烷的载玻片上取出，然后直接置于相应的衬底使表面暴露。但是现有技术存在如下缺陷：1、湿转移法因为有化学试剂的注入，其形貌有较多高点，表面粗糙度大，表面无法保证原子级的洁净度；2、大外力介入的干转移法虽然能保证洁净度，但是因为存在机械撕扯，会产生大的外应力，不利于制备大面积二维材料同/异质结样品，同时降低制备的成功率。

发明内容

为避免制备过程中化学残留物影响表面洁净度和大外力介入破坏结构的完整性，同时提高制备过程的成功率，本发明设计了一种二维同/异质结构的转移方法，以求能实现制备大面积、洁净界面的二维同/异质结构。

一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，包括以下步骤：

步骤S1、将不同的二维材料剥离到衬底上；

步骤S2、制备拾取样品载玻片和翻转样品载玻片；

步骤S3、使用拾取样品载玻片依次拾取不同的二维材料，使二维材料形成二维同/异质结构；

步骤S4、翻转样品载玻片贴合拾取样品载玻片后进行加热，使拾取的二维同/异质结构转移到翻转样品载玻片上；

步骤S5、加热翻转样品载玻片，把拾取的二维同/异质结构转移到衬底上，完成转移。

优选地，所述衬底为二氧化硅衬底。

优选地，所述二维材料包括少层六方氮化硼、薄层石墨烯、薄层过度金属硫化物。

优选地，所述拾取样品载玻片为覆盖聚丙烯碳酸酯膜的含热释放胶带的聚二甲基硅氧烷载玻片，翻转样品载玻片为带孔的聚二甲基硅氧烷载玻片。

优选地，所述在步骤S3之前，还需使用原子力显微镜辅助切割薄层二维材料。

优选地，所述步骤S4中加热温度为130～135度。

优选地，所述步骤S5中，加热翻转样品载玻片的温度为160～165度。

优选地，所述拾取样品载玻片包括载玻片、二甲基硅氧烷、双面胶、热释放胶带、聚丙烯碳酸酯薄膜；

所述二甲基硅氧烷放置在载玻片上；

所述二甲基硅氧烷四周的载玻片上放有双面胶；

所述双面胶上放有热释放胶带；

所述聚丙烯碳酸酯薄膜放置在热释放胶带和二甲基硅氧烷顶部。

优选地，所述翻转样品载玻片包括载玻片、孔型二甲基硅氧烷、双面胶；

所述孔型二甲基硅氧烷放置在载玻片上，

所述双面胶放置在孔型二甲基硅氧烷四周的载玻片上。

本申请的优点和效果如下：

1、本申请设计的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，与现有技术相比，是一种高洁净度、外应力小的暴露表面的干转移技术，它能保证二维材料转移之后，堆叠界面的高质量；转移后的样品表面相较于湿转移法更为平整，更加干净；在样品区域内，界面结构都十分完整。

2、本申请设计的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，是一种利用聚丙烯碳酸酯薄膜的转移方法，现有方法很多是利用聚乙烯醇薄膜或聚甲基丙烯酸甲酯薄膜被纯水或N-甲基吡咯烷酮溶去的湿转移法，而本申请不需要化学试剂的注入，可以得到更加干净的表面。

3、本申请设计的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，是一种无大外力介入的转移技术，现有技术在使聚丙烯碳酸酯薄膜从聚二甲基硅氧烷上分离一般是直接利用外力使二者分离，这会造成聚丙烯碳酸酯薄膜有很大的形变，而本申请是使用一个用于翻转聚丙烯碳酸酯薄膜的有孔聚二甲基硅氧烷载玻片，并利用热释放胶带的高温失粘性，使薄膜从拾取样品载玻片转移到翻转样品载玻片上，同时，使用光学显微镜，确保薄膜上的样品在聚二甲基硅氧烷的孔内，在减少了外应力影响的同时，保证转移成功率。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本申请提供的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法流程图；

图2为本申请提供的样品制备完成后的光学显微镜图；

图3为本申请提供的样品原子力显微镜形貌图；

图4为本申请提供的大面积扭转石墨烯的压电力原子显微镜结果图；

图5为本申请提供的压电力原子显微镜结果图；

图6为本申请提供的导电力原子显微镜结果图；

附图标记：1、载玻片；2、双面胶；3、热释放胶带；4、聚丙烯碳酸酯薄膜；5、无孔的二甲基硅氧烷；6、少层六方氮化硼；7、单层石墨烯；8、带孔的二甲基硅氧烷；9、分离的聚丙烯碳酸酯薄膜。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。

应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B的至少一种，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。

实施例1

请参考图1，图1为本申请提供的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、将不同的二维材料剥离到衬底上；

步骤S2、制备拾取样品载玻片和翻转样品载玻片；

步骤S3、使用拾取样品载玻片依次拾取不同的二维材料，使二维材料形成二维同/异质结构；

步骤S4、将翻转样品载玻片贴合拾取样品载玻片，并进行加热，使拾取的二维同/异质结构转移到翻转样品载玻片上；

步骤S5、加热翻转样品载玻片，把拾取的二维同/异质结构转移到衬底上，完成转移。

进一步的，所述衬底为二氧化硅衬底。

进一步的，所述二维材料包括少层六方氮化硼、薄层石墨烯、薄层过度金属硫化物。

进一步的，所述拾取样品载玻片为覆盖聚丙烯碳酸酯膜的含热释放胶带的聚二甲基硅氧烷载玻片，翻转样品载玻片为带孔的聚二甲基硅氧烷载玻片；

进一步的，所述在步骤S3之前，还需使用原子力显微镜辅助切割薄层二维材料。

进一步的，所述步骤S4中翻转加热温度为130～135度。

进一步的，所述步骤S5中，加热翻转样品载玻片的温度为160～165度。

进一步的，所述拾取样品载玻片包括载玻片、二甲基硅氧烷、双面胶、热释放胶带、聚丙烯碳酸酯薄膜；

所述二甲基硅氧烷放置在载玻片上；

所述二甲基硅氧烷四周的载玻片上放有双面胶；

所述双面胶上放有热释放胶带；

所述聚丙烯碳酸酯薄膜放置在热释放胶带和二甲基硅氧烷顶部。

进一步的，所述翻转样品载玻片包括载玻片、孔型二甲基硅氧烷、双面胶；

所述孔型二甲基硅氧烷放置在载玻片上，

所述双面胶放置在孔型二甲基硅氧烷四周的载玻片上。

进一步的，所述薄膜可改变为聚甲基丙烯酸甲酯膜。

本申请设计的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，与现有技术相比，是一种高洁净度、外应力小的暴露表面的干转移技术，它能保证二维材料转移之后，堆叠界面的高质量；转移后的样品表面相较于湿转移法更为平整，更加干净；在样品区域内，界面结构都十分完整。

实施例2

基于上述实施例1，本实施例主要介绍一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法的第一种设计，包括以下步骤：

步骤S1、利用胶带剥离石墨晶体和六方氮化硼晶体，得到单层石墨烯7和少层六方氮化硼6；

步骤S2、利用模具，制作两个圆形聚二甲基硅氧烷，其中一个中间挖空，将其分别放到两个干净的载玻片上，其中无孔的聚二甲基硅氧烷5的载玻片1作为拾取样品载玻片，带孔的聚二甲基硅氧烷8作为翻转样品载玻片。对拾取样品载玻片，以圆形聚二甲基硅氧烷为中心依次贴上预先打孔且孔径大于聚二甲基硅氧烷的双面胶2、热释放胶带3，最后在聚二甲基硅氧烷上覆盖聚丙烯碳酸酯薄膜4。对翻转样品载玻片，只需要以形聚二甲基硅氧烷为中心贴孔径大于它的双面胶；

步骤S3、利用原子力显微镜探针施加高频交流电压，催化石墨烯和水发生化学反应，达到对石墨烯刻蚀效果。其后，利用显微操作台，将拾取样品载玻片夹在悬臂夹具上，依次拾取少层六方氮化硼，单层石墨烯，单层石墨烯。显微操作台的加热温度始终为80-85度；

步骤S4、把所有二维材料拾取完后，拾取样品载玻片从悬臂夹具中拿出，放置在显微操作台的加热台上，之后将翻转样品载玻片夹在悬臂夹具上。降低悬臂夹具高度，直到翻转样品载玻片上的带孔聚二甲基硅氧烷和拾取样品载玻片的聚二甲基硅氧烷牢牢接触。上述操作完成后，加热台温度升至热释放胶带释放温度，待热释放胶带完全失去粘性，其上方的聚丙烯碳酸酯薄膜与热释放胶带分离；此时，只需要用镊子将分离的聚丙烯碳酸酯薄膜9挑起并与翻转样品载玻片上的双面胶紧密接触。上述步骤完成后，薄膜即从拾取样品载玻片转移到翻转样品载玻片上，达到了翻转同/异质结，外露表面的目的。

步骤S5、取下加热台上拾取样品载玻片，放置二氧化硅衬底，将翻转样品载玻片的有机薄膜熔化到硅片上，熔化温度为160-165度，同质结转移到二氧化硅衬底上，转移过程结束。

请参考图1，图1为本发明实施例1所述转移方法的步骤示意图，图1中Ⅰ为利用拾取样品载玻片拾取二氧化硅衬底上的少层六方氮化硼；Ⅱ为拾取被原子力显微镜刻蚀的第一部分单层石墨烯示意图；Ⅲ为拾取第二部分单层石墨烯示意图；Ⅳ为将拾取样品载玻片放在加热台上，然后将翻转样品载玻片压在拾取样品载玻片上，并保证样品始终在翻转样品载玻片的二甲基硅氧烷孔内。待加热温度到达热释放胶带释放温度，聚丙烯碳酸酯膜从拾取样品载玻片中分离；Ⅴ为将分离的聚丙烯碳酸酯薄膜按压至拾取样品载玻片的双面胶上的示意图；Ⅵ为聚丙烯碳酸酯膜熔化后示意图。此时，在二氧化硅上的结构从下到上分别为聚丙烯碳酸酯薄膜，少层六方氮化硼，单-单层石墨烯。

本发明是一种利用聚丙烯碳酸酯薄膜的转移方法，现有方法很多是利用聚乙烯醇薄膜或聚甲基丙烯酸甲酯薄膜被纯水或N-甲基吡咯烷酮溶去的湿转移法，本发明不需要化学试剂的注入，可以得到更加干净的表面。

本发明是一种无大外力介入的转移技术。现有技术在使聚丙烯碳酸酯薄膜从聚二甲基硅氧烷上分离一般是直接利用外力使二者分离，这会造成聚丙烯碳酸酯薄膜有很大的形变。本发明是使用一个用于翻转聚丙烯碳酸酯薄膜的有孔聚二甲基硅氧烷载玻片，并利用热释放胶带的高温失粘性，使薄膜从拾取样品载玻片转移到翻转样品载玻片上。同时，使用光学显微镜，确保薄膜上的样品在聚二甲基硅氧烷的孔内。利用这种方法，减少了外应力的影响，保证转移成功率。

本发明是一种高精度的二维材料转移方法，对各类二维材料具有良好的普适性；与电极制备技术相结合，可制备微纳尺度电学器件，具有极佳的拓展性。

实施例3

基于上述实施例2，本实施例主要介绍一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法的第二种设计。

步骤一、利用胶带，在二氧化硅衬底上剥离二硫化钼晶体、二硒化钼晶体和六方氮化硼晶体，得到少层六方氮化硼、单层二硫化钼和单层二硒化钼；

步骤二、薄膜改变为聚甲基丙烯酸甲酯膜，拾取样品温度为50度，依次拾取少层六方氮化硼，单层二硫化钼，单层二硒化钼，少层六方氮化硼，其他操作同实施例1中步骤S4至步骤S5；

步骤三：利用电子束光刻在聚甲基丙烯酸甲酯上刻出所需的电极沟道；

步骤四：利用热蒸镀给电极沟道镀7nm/70nm的铬/金(Cr/Au)。

与现有技术相比，该发明是一种高洁净度、外应力小的表面外露的干转移技术，它能保证二维材料转移之后，堆叠界面的高质量。图2为转移后的样品光学图。我们通过原子力显微镜表征的形貌图，发现其表面相较于湿转移法更为平整，参见图3。这表明本发明的转移技术能得到更加干净的表面。利用压电力显微镜表征，见图4，在样品区域内，界面结构十分完整。同样，该技术能制备其他高质的量样品，具有广泛的普适性，见图5。结合已有的挑电极技术或电子束刻蚀和热蒸镀的技术手段，可以制备电学器件。利用导电原子力显微镜，可以得到界面的电流图，见图6，说明该技术具有良好的拓展性。因此本申请具有广泛的适应性，其制备的同/异质结构具有原子级的平整度和大范围的完整界面结构。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、将不同的二维材料剥离到衬底上；

步骤S2、制备拾取样品载玻片和翻转样品载玻片；

步骤S3、使用拾取样品载玻片依次拾取不同的二维材料，使二维材料形成二维同/异质结构；

步骤S4、翻转样品载玻片贴合拾取样品载玻片后进行加热，使拾取的二维同/异质结构转移到翻转样品载玻片上；

步骤S5、加热翻转样品载玻片，把拾取的二维同/异质结构转移到衬底上，完成转移。

2.根据权利要求1所述的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，其特征在于，所述衬底为二氧化硅衬底。

3.根据权利要求1所述的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，其特征在于，所述二维材料包括少层六方氮化硼、薄层石墨烯、薄层过度金属硫化物。

4.根据权利要求1所述的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，其特征在于，所述拾取样品载玻片为表面覆盖聚丙烯碳酸酯膜的含热释放胶带的聚二甲基硅氧烷载玻片，翻转样品载玻片为带孔的聚二甲基硅氧烷载玻片。

5.根据权利要求1所述的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，其特征在于，所述在步骤S3之前，还需使用原子力显微镜辅助切割薄层二维材料。

6.根据权利要求1所述的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，其特征在于，所述步骤S4中加热温度为130～135度。

7.根据权利要求1所述的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，其特征在于，所述步骤S5中，加热翻转样品载玻片的温度为160～165度。

8.根据权利要求1所述的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，其特征在于，所述拾取样品载玻片包括载玻片、二甲基硅氧烷、双面胶、热释放胶带、聚丙烯碳酸酯薄膜；

所述二甲基硅氧烷放置在载玻片上；

所述二甲基硅氧烷四周的载玻片上放有双面胶；

所述双面胶上放有热释放胶带；

所述聚丙烯碳酸酯薄膜放置在热释放胶带和二甲基硅氧烷顶部。

9.根据权利要求1所述的一种制备洁净界面的二维同/异质结构的转移方法，其特征在于，所述翻转样品载玻片包括载玻片、孔型二甲基硅氧烷、双面胶；

所述孔型二甲基硅氧烷放置在载玻片上，

所述双面胶放置在孔型二甲基硅氧烷四周的载玻片上。