石墨烯等二維材料的載流子遷移率高、光-物質相互作用強、物性調控能力優，在高帶寬光電子器件領域具有重要的科學價值和廣闊的應用前景。當前，發展與主流半導體矽工藝兼容的二維材料集成技術受到業内廣泛關注，其中首要的挑戰是将二維材料從其生長基底高效轉移到目标晶圓襯底上。然而，傳統的高分子輔助轉移技術通常會在二維材料表面引入破損、皺褶、污染及摻雜，嚴重影響了二維材料的光電性質和器件性能。因此，實現晶圓級二維材料的無損、平整、潔淨、少摻雜轉移是二維材料面向集成光電子器件應用亟待解決的關鍵問題。
針對這一難題，beat365官方网站彭海琳課題組與國防科技大學秦石喬、朱夢劍課題組合作，設計了一種梯度表面能調控（gradient surface energy modulation）的複合型轉移媒介，可控調節轉移過程中的表界面能，保證了晶圓級超平整石墨烯向目标襯底（SiO2/Si、藍寶石）的幹法貼合與無損釋放，得到了晶圓級無損、潔淨、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性質，觀測到室溫量子霍爾效應及分數量子霍爾效應，并構築了4英寸晶圓級石墨烯熱電子發光陣列器件，在近紅外波段表現出顯著的輻射熱效應。該轉移方法具有普适性，也适用于其它晶圓級二維材料（如氮化硼）的轉移。研究成果以“Integrated wafer-scale ultra-flat graphene by gradient surface energy modulation”為題，于9月15日在線發表在《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，對二維薄膜有更好的浸潤性及更強的附着能，更适合作為薄膜轉移時的“接受體”；反之，襯底的表面能越小，其更适合作為薄膜轉移時的“釋放體”。因此，作者設計制備了表面能梯度分布的轉移媒介【如圖1，聚二甲基矽氧烷(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，保證石墨烯向目标襯底貼合過程中，襯底的表面能遠大于石墨烯的表面能，進而實現良好的幹法貼合；另一方面，轉移媒介上層的PDMS高分子膜具備最小的表面能，能夠實現石墨烯的無損釋放。此外，該轉移方法還有以下特點：PDMS作為支撐層可以實現石墨烯向目标襯底的幹法貼合，減少界面水氧摻雜；容易揮發的冰片作為小分子緩沖層能有效避免上層PMMA高分子膜對石墨烯的直接接觸和殘留物污染，得到潔淨的石墨烯表面；高分子PMMA層的剛性使得石墨烯轉移後依舊保持超平整的特性。
圖1 晶圓級二維材料的梯度表面能調控轉移方法
基于梯度表面能調控轉移的石墨烯薄膜具備無損、潔淨、少摻雜、超平整等特性，展現出非常優異的物理化學性質（如圖2）。轉移後4英寸石墨烯晶圓的完整度高達99.8%，電學均勻性較好，4英寸範圍内面電阻的标準偏差僅為6%（655 ± 39 Ω/sq）。轉移到SiO2/Si襯底上石墨烯的室溫載流子遷移率能夠達到10000 cm2/Vs，并且能夠觀測到室溫量子霍爾效應以及分數量子霍爾效應（經氮化硼封裝，1.7K）。基于SiO2/Si襯底上4英寸石墨烯晶圓，成功構築了熱電子發光陣列器件，在較低的電功率密度下（P = 7.7 kW/cm2）能夠達到較高的石墨烯晶格溫度（750K），并在近紅外波段表現出顯著的輻射熱效應（如圖3）。
圖2 梯度表面能調控轉移的石墨烯晶圓。（a）無損轉移到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目的對比（5×5 μm2範圍内）及典型的原子力顯微鏡圖片對比（内嵌圖）；（c）轉移後4英寸石墨烯晶圓的面電阻；（d）梯度表面能調控與傳統濕法轉移的石墨烯的電學轉移曲線對比；（e）轉移到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；（f）轉移後石墨烯（氮化硼封裝，1.7 K）的朗道扇形圖，表現出分數量子霍爾效應。
圖3 晶圓級石墨烯熱電子發光陣列器件。（a）石墨烯熱電子發光示意圖；（b）基于4英寸晶圓石墨烯的熱電子發光陣列；（c）石墨烯熱電子發光陣列的光學顯微鏡照片；（d）器件在電功率密度為3.0 kW/cm2時的紅外照片；（e）器件在不同電功率密度下的輻射光譜；（f）石墨烯晶格溫度随電功率密度的變化。
此外，梯度表面能調控轉移方法可作為晶圓級二維材料（石墨烯、氮化硼、二硫化钼等）向工業晶圓轉移的通用方法，有望為高性能光電子器件的集成奠定技術基礎。
該論文的共同通訊作者為beat365彭海琳教授和國防科技大學秦石喬教授、朱夢劍副研究員。共同第一作者是beat365前沿交叉學科研究院博士研究生高欣、beat365化學學院博士畢業生鄭黎明、國防科技大學前沿交叉學科學院羅芳博士、beat365化學學院博雅博士後錢君。其他主要合作者還包括beat365化學學院劉忠範教授、beat365材料學院林立特聘研究員、北京石墨烯研究院尹建波研究員和孫祿钊研究員、及長春工業大學高光輝教授等。
該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北京分子科學國家研究中心、騰訊基金會等項目資助，并得到了beat365官方网站分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平台的支持。
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