第一作者：Jaewoo Shim, Sang-Hoon Bae, Wei Kong, Doyoon Lee

通讯作者：Jeehwan Kim

通讯单位：麻省理工学院（美国）

研究亮点：

1. 发展了一种规模化制备晶圆级单层二维材料的普适性方法。

2. 构建了单层二维异质结FET，实现了更优异的性能。

二维材料由于其面内稳定性和面外弱相互作用，通常可以堆叠形成各种器件，在光电领域得到广泛应用。为了实现优异的功能性，二维材料异质结的构建往往采用堆积木的形式，先分离得到单层二维材料，再以单层精确度进行堆叠。

用透明胶带，可以撕出厘米尺度的鳞片二维材料异质结，但是，这种方法重复性太差，而且将鳞片二维材料分离成单层，需要经过大量的试错尝试，耗费大量时间。由于二维材料成核能垒太高，通过直接生长的方法来控制二维材料的层数就更加困难了。

基于金属有机化学气相沉积法（MOCVD）和程序化真空堆积技术（PVS），康奈尔大学的Jiwoong Park课题组于2015年和2017年分别在Nature报道了晶圆级单层TMDCs二维材料及其异质结的制备。

图1. MOCVD制备晶圆级单层TMDCs二维材料及异质结

图2. PVS制备晶圆级单层TMDCs二维材料及异质结

然而，大尺寸单层二维材料的制备，依然是制约二维材料异质结的可控构建，限制其性能和宏观应用的一个关键因素。

有鉴于此，美国麻省理工学院的Jeehwan Kim课题组发展了一种普适性的层数分辨分离技术（LRS），通过对单个硅片上生长的单个堆叠的二维材料进行剥离，实现了多种单层二维材料的晶圆级（5 cm）大尺寸规模化制备。

图3. LSR技术工艺示意图

制备工艺

单层分辨分离（LRS）技术主要是基于材料之间界面粗糙度的差异实现。根据以下界面粗糙度的强弱：Ni-2D>2D-2D>蓝宝石-2D，且蓝宝石-2D界面粗糙度可以忽略。研究人员首先在蓝宝石基底生长得到任意层数的晶圆级较厚二维材料，然后在相对粗糙的二维材料表面沉积Ni层，利用Ni和二维材料之间的强吸附作用将二维材料从蓝宝石基底剥离，然后利用Ni将二维材料两面夹住，再利用Ni-2D>2D-2D实现二维材料的单层剥离。

实验证明，这种方法适用于h-BN, WS₂, WSe₂, MoS₂以及MoSe₂等多种二维材料的晶圆级单层剥离。

图4. 技术原理

材料表征和应用

光致发光谱响应和导电性测试证实了晶圆级单层h-BN, WS₂, WSe₂, MoS₂以及MoSe₂的均匀性。此外，研究人员还制备得到了晶圆级范德华二维异质结，单原子厚度分辨率的场效应晶体管表现出更加优异的性能。

图5. 晶圆级单层二维材料

图6. 剥离过程表征

图7. 晶圆级单层二维异质结

总之，这项工作为大尺寸单层二维材料的制备提供了新的思路，对二维材料的商业化应用起到了重要促进作用。

参考文献：

JaewooShim, Sang-Hoon Bae, Wei Kong, Doyoon Lee, Jeehwan Kim et al. Controlled crack propagation for atomic precision handling of wafer-scale two-dimensional materials. Science 2018.

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/10/10/science.aat8126?rss=1