石墨烯等二維材料的載流子遷移率高、光-物質(zhì)相互作用強(qiáng)、物性調(diào)控能力優(yōu)，在高帶寬光電子器件領(lǐng)域具有重要的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前，發(fā)展與主流半導(dǎo)體硅工藝兼容的二維材料集成技術(shù)受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，其中首要的挑戰(zhàn)是將二維材料從其生長(zhǎng)基底高效轉(zhuǎn)移到目標(biāo)晶圓襯底上。然而，傳統(tǒng)的高分子輔助轉(zhuǎn)移技術(shù)通常會(huì)在二維材料表面引入破損、皺褶、污染及摻雜，嚴(yán)重影響了二維材料的光電性質(zhì)和器件性能。因此，實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)二維材料的無損、平整、潔凈、少摻雜轉(zhuǎn)移是二維材料面向集成光電子器件應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問題。

針對(duì)這一難題，北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院、北京石墨烯研究院器件技術(shù)研究部彭海琳課題組與國防科技大學(xué)秦石喬、朱夢(mèng)劍課題組合作，設(shè)計(jì)了一種梯度表面能調(diào)控（gradient surface energy modulation）的復(fù)合型轉(zhuǎn)移媒介，可控調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移過程中的表界面能，保證了晶圓級(jí)超平整石墨烯向目標(biāo)襯底（SiO₂/Si、藍(lán)寶石）的干法貼合與無損釋放，得到了晶圓級(jí)無損、潔凈、少摻雜均勻的超平整石墨烯薄膜，展示了均勻的高遷移率器件輸運(yùn)性質(zhì)，觀測(cè)到室溫量子霍爾效應(yīng)及分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，并構(gòu)筑了4英寸晶圓級(jí)石墨烯熱電子發(fā)光陣列器件，在近紅外波段表現(xiàn)出顯著的輻射熱效應(yīng)。該轉(zhuǎn)移方法具有普適性，也適用于其它晶圓級(jí)二維材料（如氮化硼）的轉(zhuǎn)移。研究成果以“Integrated wafer-scale ultra-flat graphene by gradient surface energy modulation”為題，于2022年9月15日在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications 2022, 13, 5410）。

文章指出，二維薄膜材料從一表面到另一表面的轉(zhuǎn)移行為主要由不同表界面間的能量差異決定。襯底的表面能越大，對(duì)二維薄膜有更好的浸潤性及更強(qiáng)的附著能，更適合作為薄膜轉(zhuǎn)移時(shí)的“接受體”；反之，襯底的表面能越小，其更適合作為薄膜轉(zhuǎn)移時(shí)的“釋放體”。因此，作者設(shè)計(jì)制備了表面能梯度分布的轉(zhuǎn)移媒介【如圖1，聚二甲基硅氧烷(PDMS)/PMMA/冰片】，其中冰片小分子層吸附在石墨烯表面，有效降低了石墨烯的表面能，保證石墨烯向目標(biāo)襯底貼合過程中，襯底的表面能遠(yuǎn)大于石墨烯的表面能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的干法貼合；另一方面，轉(zhuǎn)移媒介上層的PDMS高分子膜具備最小的表面能，能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯的無損釋放。此外，該轉(zhuǎn)移方法還有以下特點(diǎn)：PDMS作為支撐層可以實(shí)現(xiàn)石墨烯向目標(biāo)襯底的干法貼合，減少界面水氧摻雜；容易揮發(fā)的冰片作為小分子緩沖層能有效避免上層PMMA高分子膜對(duì)石墨烯的直接接觸和殘留物污染，得到潔凈的石墨烯表面；高分子PMMA層的剛性使得石墨烯轉(zhuǎn)移后依舊保持超平整的特性。

圖1 晶圓級(jí)二維材料的梯度表面能調(diào)控轉(zhuǎn)移方法

基于梯度表面能調(diào)控轉(zhuǎn)移的石墨烯薄膜具備無損、潔凈、少摻雜、超平整等特性，展現(xiàn)出非常優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)（如圖2）。轉(zhuǎn)移后4英寸石墨烯晶圓的完整度高達(dá)99.8%，電學(xué)均勻性較好，4英寸范圍內(nèi)面電阻的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為6%（655 ± 39 Ω/sq）。轉(zhuǎn)移到SiO₂/Si襯底上石墨烯的室溫載流子遷移率能夠達(dá)到10000 cm²/Vs，并且能夠觀測(cè)到室溫量子霍爾效應(yīng)以及分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)（經(jīng)氮化硼封裝，1.7 K）。基于SiO₂/Si襯底上4英寸石墨烯晶圓，成功構(gòu)筑了熱電子發(fā)光陣列器件，在較低的電功率密度下（P = 7.7 kW/cm²）能夠達(dá)到較高的石墨烯晶格溫度（750 K），并在近紅外波段表現(xiàn)出顯著的輻射熱效應(yīng)（如圖3）。

圖2 梯度表面能調(diào)控轉(zhuǎn)移的石墨烯晶圓。（a）無損轉(zhuǎn)移到SiO₂/Si襯底上高完整度4英寸石墨烯晶圓；（b）超平整石墨烯與粗糙石墨烯褶皺數(shù)目的對(duì)比（5×5 μm²范圍內(nèi)）及典型的原子力顯微鏡圖片對(duì)比（內(nèi)嵌圖）；（c）轉(zhuǎn)移后4英寸石墨烯晶圓的面電阻；（d）梯度表面能調(diào)控與傳統(tǒng)濕法轉(zhuǎn)移的石墨烯的電學(xué)轉(zhuǎn)移曲線對(duì)比；（e）轉(zhuǎn)移到SiO₂/Si上的石墨烯在不同溫度下的霍爾曲線及室溫量子霍爾效應(yīng)；（f）轉(zhuǎn)移后石墨烯（氮化硼封裝，1.7 K）的朗道扇形圖，表現(xiàn)出分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。

圖3 晶圓級(jí)石墨烯熱電子發(fā)光陣列器件。（a）石墨烯熱電子發(fā)光示意圖；（b）基于4英寸晶圓石墨烯的熱電子發(fā)光陣列；（c）石墨烯熱電子發(fā)光陣列的光學(xué)顯微鏡照片；（d）器件在電功率密度為3.0 kW/cm²時(shí)的紅外照片；（e）器件在不同電功率密度下的輻射光譜；（f）石墨烯晶格溫度隨電功率密度的變化。

此外，梯度表面能調(diào)控轉(zhuǎn)移方法可作為晶圓級(jí)二維材料（石墨烯、氮化硼、二硫化鉬等）向工業(yè)晶圓轉(zhuǎn)移的通用方法，有望為高性能光電子器件的集成奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

該論文的共同通訊作者為北京大學(xué)、北京石墨烯研究院彭海琳教授和國防科技大學(xué)秦石喬教授、朱夢(mèng)劍副研究員。共同第一作者是北京大學(xué)、北京石墨烯研究院博士研究生高欣、鄭黎明博士、國防科技大學(xué)羅芳博士、北京大學(xué)博雅博士后錢君。其他主要合作者還包括北京大學(xué)/北京石墨烯研究院劉忠范教授、林立研究員、北京石墨烯研究院尹建波研究員、孫祿釗研究員、及長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)/北京石墨烯研究院高光輝教授等。

該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、北京分子科學(xué)國家研究中心、騰訊基金會(huì)等項(xiàng)目資助，并得到了北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院分子材料與納米加工實(shí)驗(yàn)室（MMNL）儀器平臺(tái)的支持。

原文鏈接

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33135-w