转移技术专题|综述好文推荐：二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究

探针辅助转移及器件制备专题1：探针法制备高质量、超洁净的图案化二维材料器件

探针辅助转移及器件制备专题2：探针辅助实现二维材料电极转移的方法

大尺寸转移技术专题：二维（2D）材料的晶圆级转移和2D材料异质结构的制备

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探针辅助转移及器件制备专题3：探针辅助实现柔性衬底上有机晶体半导体的干法转移

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       我司客户近期期刊《物理学报》发表的综述文章《二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究》(The fabrication and physical properties of two-dimensional van der Waals heterostructures, Acta Phys. Sin. Vol. 71, No. 4 (2022)048502），从二维材料的转移技术着手, 全面整理总结了二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用。

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二维范德瓦尔斯异质结构是把不同的二维材料通过层间范德瓦尔斯力在垂直方向上层层堆叠形成的异质结构。在制备 2D vdWHs 的过程中, 通常是把微机械剥离法或 CVD 法制备的二维材料转移到目标衬底的特定位置, 并精准地把不同二维材料垂直堆叠成异质结构。 这个转移过程通常需要一个配置有长工作距离的光学显微系统与三维微操纵平台相结合，同时还需要加热温控装置， 以及某些聚合物层作为转移介质。

图左：迈塔光电转移台E1-G       图右：不同转移方法的夹具使用示意图

1、湿法转移技术可分为：

1.1 基底刻蚀法（亦称作化学刻蚀法），通常需要经历化学反应过程使得二维薄膜的生长基底溶解在刻蚀液中：

代表性文献

[1] Li X, ...., Piner R D, Colombo L, Ruoff R S 2009 Nano Lett. 9 4359

[2] Li  X, ..., Colombo L, Ruoff R S 2009 Science 324 1312 

[3] Shi J, ...,  Zhang  Y,  Liu  Z 2014 Acs Nano 8 10196 

[4] Reina  A, ..., Dresselhaus M S, Kong J 2009 Nano Lett. 9 30 

[5] Reina  A,  ...,  Liu  Z, Kong J 2008 J. Phys. Chem. C 112 17741

1.2 液体楔入的转移法，通过在亲水性衬底和疏水性聚合物薄膜间插入一层水 (楔形水) 来实现二维材料和聚合物薄膜从衬底剥离：

代表性文献

[1] Schneider G F, ..., Dekker C 2010 Nano Lett. 10 1912 

[2] Li  H,  Wu  J,  ...,  Zhang  H 2014 Acs Nano 8 6563 

[3] Gurarslan  A,  ..., Ozturk M, Zhang Y, Cao L 2014 Acs Nano 8 11522 

[4] Yu H, ..., Yang R, Shi D, Zhang G 2017 Acs Nano 11 12001

1.3 电化学鼓泡法 ，是指将生长有二维材料的导体衬底其置入电解池中，作为阴极施加外接电压，通以小电流，利用导体表面（例如Cu、Ni、Pt等）表面水分解产生的大量氢气气泡实现二维材料与生长衬底（例如PMMA/石墨烯与铜箔）的分离。

代表性文献

[39] Zhang Z, ..., Liu Z, Zhang Y 2017 Acs Nano 11 4328

[40] Gao L,..., Bao X, Cheng H M 2012 Nat. Commun. 3 699

[41] Wang Y, ..., Lu J, Loh K P 2011 Acs Nano 5 9927

1.4 乙醇辅助转移法，是指乙醇能够自发插层进入二维材料样品和衬底之间，从而弱化二维材料和衬底间的结合力，通过操作钨针，就可以将二维材料样品挑起。

文献详细介绍链接：2D材料转移技术专题：“表面能辅助法Wedging Transfer”进行二维材料薄膜样品转移

代表性文献：

[42] Yang X, ..., Zhu J 2019 Adv. Funct. Mater. 29 1902427

2、干法转移技术可分为：

2.1 基于聚二甲基硅氧烷 (Polydimethylsiloxane, PDMS) 的全干性转移法（也称为 PDMS 剥离的转移法或 PDMS 辅助的转移法），基于PDMS膜的粘弹性, 把二维材料直接剥离到PDMS膜上, 随后利用聚合物PDMS和二维材料之间热膨胀系数的差异, 通过聚合物PDMS的热收缩机械地将二维材料脱落在目标衬底上。

代表性文献

[1] Jain A, ..., Novotny L 2018 Nanotechnology 29 265203

[2] Castellanos-Gomez A,..., Steele G A 2014 2D Mater. 1011002

2.2 范德瓦尔斯作用力拾取的转移法，指利用不同二维材料间的范德瓦尔斯相互作用力, 在不与任何聚合物接触的情况下实现二维材料的确定性转移, 提高转移速率的同时极大程度上减少了二维异质界面的污染。常见有基于PDMS/PPC或PDMS/PC的复合转移介质。

代表性文献

[1] Zomer P J, ..., Wees B J v 2014 Appl. Phys. Lett. 105 01310

[2] Purdie D G, ..., Lombardo A 2018 Nat. Commun. 9 5387

[3] Wang L, ..., Shepard K L, Dean C R 2013 Science 342 614

[4] Wang J I J, ..., Jarillo-Herrero P 2015 Nano Lett. 15 1898

2.3 热塑性牺牲层的方法（thermoplastic sacrificial layer method），一种利用低玻璃化转变温度高分子薄膜作为牺牲层来转移二维材料的方法，例如准备MBMC牺牲层高分子薄膜/双面透明胶带/透明玻璃的三层结构， 在高分子薄膜上剥离石墨烯，将整个支撑体固定到显微三维操作平台上(石墨烯在最下层)，加热目标衬底到75~100 ℃，降低支撑体接触目标基底。牺牲层融化并剥离粘附在目标基底上，石墨烯样品被转移到目标基底表面。最后在丙酮溶液中浸泡除去基底表面的有机层, 以及使用异丙醇冲洗并干燥. 在Ar/H2(85/15)气氛中330 ℃热退火处理8h可进一步去除残留的高分子。

代表性文献：

[1] Zomer P J, Dash S P, Tombros N, van Wees B J 2011 Appl.Phys. Lett. 99 232104

2.4 卷对卷 (roll to roll) 转移法，是目前最有潜力应用于商业化的二维材料薄膜连续转移方法，在150℃用热滚筒将EVA/PET与FLG/镍箔 “热滚压”成PET/EVA/FLG/Ni。之后在室温下放入冷滚筒中，使得镍箔在恒速的滚压过程中与PET/EVA/FLG撕离。EVA层起到胶粘的作用，以便于将二维材料撕下。

代表性文献：

[1] Bae S, ..., Iijima S 2010 Nat. Nanotechnol. 5 574

[2] Juang Z-Y, Wu C-Y, Lu A-Y, et al . Carbon, 2010, 48(11): 3169–3174.

3. 有几种比较常用的聚合物类型：

3.1 聚甲基丙烯酸甲酯 (polymethyl methacrylate, PMMA)/牺牲层 （牺牲层一般选择水溶性的多聚物），常见水溶性牺牲层有PVA, aquaSAVE或者PMGI，

代表性文献

[1] Dean C R, ..., Hone J 2010 Nat. Nanotechnol. 5 722

3.2 热塑性聚合物，代表性文献：

[1] Zomer P J, ..., van Wees B J 2011 Appl. Phys. Lett. 99 23210

3.3 黏弹性的 PDMS，利用黏弹性的PDMS高分子膜作为载体转移二维材料. 该方法无高分子旋涂且整个过程不接触任何溶液, 为易水解吸湿的二维材料转移提供了可能. 由于转移过程中材料不会受到毛细作用力的影响, 因此也减少了材料的褶皱、裂纹以及包裹溶液形成的微泡，这为材料本征性能研究提供了方便。PDMS干法转移的样品质量与转移成功率取决于目标基底表面的平整度和接触按压时压力的大小。

代表性文献

[1] Castellanos-Gomez A, ..., Steele G A 2014 2D Mater. 1 01100

[2] Meitl M A, ..., Rogers J A 2006 Nat. Mater. 5 33

3.4 复合聚合物 PDMS/PPC或PDMS/PC ，代表性文献：

[1] Wang L,..., Dean C R 2013 Science 342 614

[2] Wang J I J, ..., Jarillo-Herrero P 2015 Nano Lett. 15 1898

[3]Pedrinazzi P, ..., Boggild P 2018 Appl. Phys. Lett. 112 033101

[4] Purdie D G, ..., Lombardo A 2018 Nat. Commun. 9 5387

4. 惰性气氛转移法，性气氛转移通常在手套箱中使用干法转移实现， 但是厚的手套不仅会遮挡观察视线, 还会影响剥离转移过程中所需的精细操作, 对转移技术在手套箱中的实施造成了很大的困难, 因此也有研究者使用电动装置实现转移。迈塔光电能够提供专业的手套箱转移系统安装方案，实现ZR两轴，XYZR4轴，XYZR+XY+显微镜调焦七轴电动等多种电动安装方案。