石墨烯生長襯底和特定應(yīng)用襯底之間的聯(lián)系可以通過可靠的轉(zhuǎn)移技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)上，去除轉(zhuǎn)移過程中支撐石墨烯的聚合物專用機(jī)介質(zhì)會污染石墨烯表面。

北京大學(xué)、北京石墨烯研究院劉忠范院士團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)聚丙烯腈（PAN）可以作為聚合物介質(zhì)來轉(zhuǎn)移晶圓尺寸的石墨烯，并作為封裝層來提供高性能石墨烯器件。因此，與器件制造兼容的PAN在后續(xù)應(yīng)用中不需要去除。該研究實(shí)現(xiàn)了4英寸石墨烯到 SiO₂ /Si 晶圓上的無裂紋轉(zhuǎn)移，以及基于石墨烯的場效應(yīng)晶體管 （FET）陣列的晶圓級制造，沒有觀察到明顯的摻雜，實(shí)現(xiàn)均勻的高載流子遷移率 (~11,000 cm²V^-1s^-1) 和室溫下的長期穩(wěn)定性。

該工作提出了設(shè)計二維（2D）材料轉(zhuǎn)移過程的新概念，其中可以保留多功能聚合物，并為制造具有優(yōu)異性能的2D材料晶圓級器件提供了可靠的方法。相關(guān)研究成果以“Polyacrylonitrile as an Efficient Transfer Medium for Wafer-scale Transfer of Graphene”為題，5月13日發(fā)表于《Advanced Materials》。

/ 基于PAN的晶圓級轉(zhuǎn)移和封裝 /

由于PAN和石墨烯之間的強(qiáng)相互作用，4英寸石墨烯晶圓成功地從銅襯底上剝離。然后，將石墨烯薄膜層壓到具有預(yù)制電極的SiO?/Si襯底上，用于接觸石墨烯（圖1a）。在層壓到SiO?/Si上后，轉(zhuǎn)移過程中支撐石墨烯的PAN保留在石墨烯的頂表面，作為器件制造后的封裝層。使用光學(xué)顯微鏡（OM）來觀察裂紋區(qū)域，以探測轉(zhuǎn)移到4英寸SiO?/Si襯底上的石墨烯的完整性，確認(rèn)平均完整性超過99.0%。

在傳統(tǒng)的基于刻蝕或氣泡插層的轉(zhuǎn)移方法中，由于石墨烯與水接觸，不可避免地會發(fā)生摻雜。在此方法中，石墨烯從生長襯底的剝離和到目標(biāo)襯底的層壓都在干燥狀態(tài)下進(jìn)行，從而抑制了轉(zhuǎn)移引起的摻雜并改善了電子性能，如載流子遷移率。

為與晶圓尺寸的器件制造兼容，研究人員采用光刻技術(shù)將覆蓋PAN的石墨烯圖案化為Hall bar結(jié)構(gòu)。在整個晶圓上制造了400個器件，以探測場效應(yīng)載流子遷移率和石墨烯器件的相應(yīng)均勻性（圖1f）。提取的平均載流子遷移率達(dá)到約11,000 cm²V^-1s^-1，最高值為約14,000 cm²V^-1s^-1（圖1h）。這種提高的載流子遷移率和均勻性滿足了石墨烯電子學(xué)和光子學(xué)的基本要求。相比之下，由PMMA轉(zhuǎn)移的晶圓級裸石墨烯器件表現(xiàn)出相對較低的載流子遷移率以及測得的Dirac點(diǎn)位置的偏移，表明水參與轉(zhuǎn)移導(dǎo)致了強(qiáng)p型摻雜。

/ 轉(zhuǎn)移PAN/石墨烯的質(zhì)量和均勻性評估 /

研究的關(guān)鍵是聚合物封裝石墨烯時不引入的額外摻雜。在不同聚合物覆蓋的石墨烯中，PAN/石墨烯顯示出相對較窄的2D帶半高寬（FWHM(2D)）約為25.1 cm^-1，比通過其他聚合物轉(zhuǎn)移的石墨烯要窄（圖2b），表明PAN/石墨烯中的摻雜和應(yīng)變水平受到了抑制。通過大面積拉曼表征，確認(rèn)這種摻雜的減少在整個晶圓上是均勻的。

通過器件在整個晶圓上的傳輸曲線中Dirac點(diǎn)位置接近零來確認(rèn)整個晶圓上摻雜水平均勻降低的現(xiàn)象（圖2e）。具體來說，PAN/石墨烯器件的平均Dirac點(diǎn)位置約為0.33 V，分布范圍從-2.5 V到2.5 V（圖2f）。相比之下，由PMMA、PC和PI覆蓋的石墨烯器件展示了分別為4602 cm²V^-1s^-1、4881 cm²V^-1s^-1和1000 cm²V^-1s^-1的遷移率，以及大于100.0 V、46.0 V和33.5 V的Dirac點(diǎn)位置。

密度泛函理論（DFT）計算了PAN在石墨烯上的吸附以及對石墨烯和SiO₂/Si基底之間相互作用的影響，確認(rèn)了PAN層覆蓋在石墨烯上可以誘導(dǎo)石墨烯膜從SiO₂/Si基底上升起，從而減少來自基底的散射以保持高遷移率并降低摻雜水平。此外，Bader電荷分析顯示PAN和石墨烯之間幾乎沒有電荷轉(zhuǎn)移（ΔeG = -0.05 e），表明PAN幾乎不在轉(zhuǎn)移后的石墨烯中引入摻雜。

/ 轉(zhuǎn)移后的PAN/石墨烯的穩(wěn)定性評價 /

長期穩(wěn)定性是電子器件的另一個主要問題。研究人員監(jiān)測了暴露在空氣中一周后FWHM(2D)和器件性能的變化。具體來說，PAN覆蓋的石墨烯的FWHM(2D)幾乎沒有變化（從25.6 cm^-1到25.9 cm^-1）（圖3a），而裸石墨烯的FWHM(2D)在一周暴露后從33.7 cm^-1變化到35.4 cm^-1（圖3b）。此外，ωG作為ω2D的函數(shù)的圖也反映出PAN/石墨烯在暴露后的摻雜水平?jīng)]有變化（圖3c）。

在一周的空氣暴露期間，PAN/石墨烯器件的載流子遷移率從11429降至11121 cm²V^-1s^-1，出現(xiàn)了輕微的減小，而裸石墨烯器件的載流子遷移率從3983降至3440 cm²V^-1s^-1，減小了13.6%。此外，裸石墨烯器件的Dirac點(diǎn)出現(xiàn)明顯的偏移，是由于吸附了空氣中的水分和雜質(zhì)（圖3e）。相比之下，PAN作為水汽和氧氣的屏障，確保了石墨烯器件的長期穩(wěn)定性。

/ 輕松去除PAN層 /

在需要優(yōu)秀器件性能和穩(wěn)定性的電子應(yīng)用中，通常需要直接暴露的石墨烯表面，比如傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)。研究人員對PAN/石墨烯進(jìn)行了150°C的退火處理，以形成石墨烯與SiO₂/Si基底之間的共形接觸，進(jìn)而阻礙了去除PAN過程中的分子插層。在去除PAN薄膜后，石墨烯在4英寸SiO₂/Si基底上的高完整性保持率大于99%（圖4a、b）。此外，為了評估去除PAN層后石墨烯的電性能，研究人員制備了10個使用去除PAN層后轉(zhuǎn)移的石墨烯的石墨烯器件，并測量了載流子遷移率，其平均值為8579 cm²V^-1s^-1。

通過Raman光譜圖中C≡N峰的消失和去除PAN后石墨烯中無缺陷相關(guān)的D帶的缺失，確認(rèn)了PAN的成功去除（圖4e）。通過對由PAN和其他聚合物轉(zhuǎn)移的石墨烯薄膜的ωG作為ω2D的圖，證實(shí)了即使在去除聚合物后，石墨烯中的低摻雜水平仍然保持不變。

/ 結(jié)論 /

研究表明，聚丙烯腈（PAN）可輔助整個晶圓尺度上的2D材料轉(zhuǎn)移，并實(shí)現(xiàn)對空氣污染物的有效封裝。由于電荷轉(zhuǎn)移受到抑制并且界面清潔，4英寸SiO₂/Si晶圓上的整個晶圓尺度的石墨烯器件陣列表現(xiàn)出高遷移率（~11,000 cm²V^-1s^-1），室溫下接近零的Dirac點(diǎn)（~0 V），具有優(yōu)異的均勻性和長期穩(wěn)定性。

該工作不僅提出了轉(zhuǎn)移2D材料的新概念，其中具有多功能性的轉(zhuǎn)移介質(zhì)聚合物可以保留以改善目標(biāo)基底上器件的性能，而且還為制備具有良好均勻性和穩(wěn)定性的高性能2D材料器件提供了一條途徑，這對于發(fā)現(xiàn)它們的“殺手級”電子應(yīng)用至關(guān)重要。

原文：https://doi.org/10.1002/adma.202402000