石墨烯優異的電學和光學等性質，使其在高端電子、光電子器件等領域有着廣闊的應用前景。化學氣相沉積（chemical vapor deposition, CVD）方法制備的石墨烯薄膜材料具有質量高、大面積、層數可控等優點。然而石墨烯薄膜通常需要在金屬襯底上制備，為實現其後續功能應用，通常需要将金屬襯底上制備的石墨烯薄膜轉移至目标功能襯底上，而大面積石墨烯轉移過程中通常會産生石墨烯破損、褶皺和污染等問題，嚴重影響轉移後石墨烯的性質。因此如何實現石墨烯大面積無損、潔淨轉移仍是石墨烯應用領域的研究技術瓶頸，亟待解決。
針對這一問題，最近，beat365官方网站劉忠範課題組、彭海琳課題組、材料學院林立課題組與中科院力學所魏宇傑課題組通過設計轉移媒介的分子結構，在傳統的轉移媒介聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate, PMMA）加入含羟基易揮發小分子，确保了石墨烯與目标功能襯底之間的共形接觸，進而通過機械剝離方法實現了轉移介質與石墨烯的分離，得到了潔淨、完整的石墨烯表面，實現了大面積石墨烯薄膜無損潔淨轉移。研究成果以“Large-area transfer of two-dimensional materials free of cracks, contamination and wrinkles via controllable conformal contact”為題，近期發表于《自然-通訊》（Nature Communications 2022, 13, 4409）上。
文章指出，石墨烯薄膜成功轉移的關鍵是通過轉移媒介的結構設計，實現其與目标襯底之間的共形接觸。由于石墨烯和目标襯底的良好貼合，可以有效避免轉移中石墨烯受到應力而産生的破損和褶皺問題。對于矽基襯底，研究團隊設計了含羟基的揮發性小分子嵌入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）鍊中作為轉移媒介，通過加熱，小分子揮發，導緻PMMA鍊重新堆疊，推動石墨烯和目标襯底共形貼合，成功實現4英寸晶圓石墨烯完整轉移。對于粗糙度較高的聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene glycol terephthalate, PET）襯底，通過将低玻璃化轉變溫度的聚碳酸亞丙酯嵌入PMMA鍊中，加熱後聚合物玻璃化轉變使得石墨烯在PET表面鋪展浸潤，可以成功實現A4尺寸石墨烯薄膜的完整轉移，完整度可達99%。
在傳統的石墨烯轉移方法中，采用PMMA作為轉移媒介，再利用丙酮溶解去除PMMA。然而，PMMA通常難以完全去除，導緻石墨烯表面殘留污染物。對此，研究團隊提出了通過共形接觸使石墨烯和目标襯底具有強作用力，進而後續可以直接剝離去除轉移媒介，替代了傳統的丙酮除膠的方法，大大節約成本的同時可以實現批量化轉移。借助原子力顯微鏡可以清楚顯示石墨烯表面潔淨無污染。為評估轉移後石墨烯的電學性質，研究團隊構築了氮化硼封裝石墨烯器件，經測試可知其室溫遷移率可達120000 cm2/Vs，低溫（4K）遷移率高達1420000 cm2/Vs。該轉移方法也适用于MoS2等二維材料的轉移。
圖 大面積石墨烯薄膜無損潔淨轉移方法和性質評估
該論文的共同通訊作者為北京大學劉忠範教授、林立特聘研究員、彭海琳教授和中國科學院力學研究所魏宇傑研究員。共同第一作者是beat365化學學院博士研究生趙一萱、beat365化學學院博士後宋雨晴、北京石墨烯研究院胡兆甯博士和曼徹斯特大學博士後王文棟。該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北京市科委、北京分子科學國家研究中心等項目資助。
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