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Nano Letters:全乾法轉移石墨烯薄膜有新突破

6月
13
2019

2019年6月13日16時 石墨烯聯盟

石墨烯聯盟

具有原始介面的二維材料是構建電晶體、隧穿器件和光電二極體等多種功能器件的基礎,機械轉移技術是一種常用的獲得這種介面的方法,通過與載體膜的范德華相互作用,目標材料從生長基底上被機械剝離下來。該方法獲得的轉移膜原子缺陷最小,而且不會改變平面內的共價鍵合。此外,機械轉移與濕法轉移相比,可以防止材料暴露於液態化學物質中,避免留下離子和金屬雜質,從而使介面保持清潔。

利用范德瓦爾斯相互作用輔助轉移的方法已成功實現晶片級單層過渡族金屬硫化物薄膜的高質量轉移。然而,將該技術應用於石墨烯薄膜的轉移時,要求石墨烯和載體膜之間的相互作用必須大於石墨烯與基底的結合力,但是典型基底如Cu和SiC上生長的石墨烯薄膜並不滿足該條件(石墨烯薄膜與Cu基底的吸附能是60 meV/碳原子,與SiC基底的吸附能是106 meV/碳原子,明顯高於石墨烯與常見載體膜的吸附能,即40

meV/碳原子~50 meV/碳原子),因此只能獲得微米級尺寸的樣品,製備具有原始介面的大尺寸石墨烯仍然面臨挑戰。為了克服這個問題,有研究者使用對石墨烯的結合力比對基底更強的載體,包括具有共價鍵的聚合物以及具有強靜電相互作用的金屬。遺憾的是這些方法均需要對載體進行濕法刻蝕,導致轉移後的石墨烯表面被污染。

近日,來自韓國浦項科技大學的Cheol-Joe Kim課題組提出了一種大面積全乾式機械轉移石墨烯薄膜的方法。他們以h-BN氮化硼作為支撐,通過范德華相互作用成功把Ge(110)基底上石墨烯膜轉移到了不同的基底上。該方法的關鍵是把Ge(110)作為基底生長石墨烯膜。由於石墨烯與Ge(110)基底的介面結合能只有23

meV/碳原子,結合力很弱,因此石墨烯薄膜可以被有效地剝離和轉移到其他不同的基底上面。通過此方法轉移的薄膜均勻且連續,具有低密度的缺陷和較少的電荷聚集。該研究提供了一種通用、清潔且可推廣的方法來設計石墨烯的介面,文章於2019年5月13日發表在國際著名期刊Nano Letters上。

首次發現Ge(110)與石墨烯的吸附作用可以小於典型層狀材料之間的范德華力,從而利用石墨烯與載體之間的范德華作用實現全乾式轉移。

圖1,(a)通過范德瓦爾斯相互作干法轉移石墨烯薄膜的過程示意圖:(i)Ge(110)上的石墨烯生長示意圖,(ii)h-BN生長示意圖,(iii)用熱釋放膠帶機械剝離h-BN /石墨烯雜化膜示意圖(iv)將該膜轉移到任意襯底上。(b)將h-BN /石墨烯膜轉移到SiO 2 /

Si襯底上的光學圖像。(c)(左)橫截面TEM,(中)TEM圖像和(右)碳、硼、氮、矽元素的EDX強度分布圖譜。

圖2,(a)通過超層沉積壓縮應變誘導的石墨烯膜的屈曲示意圖。當殘餘應變能超過石墨烯與基底之間的介面粘附能時,可能發生自發屈曲。(b)左:在h-BN沉積之前和之後的石墨烯G和2D峰的代表性拉曼光譜。右:在具有不同h-BN厚度的多個樣品點處測量的2D峰位置與G峰位置。(c)圖4b石墨烯薄膜壓縮應變和相應的應變能由2D峰位置和G峰位置推導得到。(d)石墨烯與之前報導的其他材料(石墨烯,h-BN,Cu,SiC和Ni)之間的介面粘附能。

圖3,(a)製備與任意材料X介面接觸的石墨烯薄膜的「接觸和剝離」工藝的示意圖.(b)X /石墨烯薄膜的照片(X = Cu,Ni,h- BN和石墨烯)轉移到SiO2 / Si或熔融石英襯底和(主圖)相應的拉曼光譜上。(c)(左)疊加扭曲的雙層石墨烯的照片。(中)轉移到石英基底上扭曲雙層石墨烯示意圖。(右)測量扭曲雙層石墨烯的光電導率(σ)光譜。

在Ge(110)基底上生長的石墨烯薄膜可通過范德瓦爾斯相互作用實現干法轉移。研究結果表明,Ge(110)上的石墨烯薄膜可作為多功能薄膜組裝的理想材料,可以將石墨烯與其他材料有機結合起來。Ge也可以作為襯底生長其他層狀材料,如在Ge(100)和Ge(110)可以生長石墨烯納米帶和單層h-BN ,這些材料對基底Ge的附著能力很弱(≤60 meV /

碳原子),意味著全乾轉移方法可以應用於在Ge襯底上生長的其他原子級薄層材料,從而組裝更複雜的結構。該方法將有助於實現大規模二維電子器件的製備,對發現具有新穎電學和光學性質的新型雜化材料起到了推動作用。

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b0055;

連結:https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00555

文章來源: 先豐納米


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