文章导读
面向高性能电子和光电子器件的二维范德华异质结构无污染组装
本文介绍了一种创新的“范德华转移（vdW-transfer）”技术，利用带有“范德华辅助层”的微穹顶聚合物（MDP），实现了二维（2D）材料异质结构的无污染组装。该技术核心在于避免了传统转移方法中聚合物与材料直接接触导致的界面污染问题。实验证明，采用此技术制备的MoS2/WSe2异质结光电探测器（PD）和WSe₂场效应晶体管（FET），其性能（如响应度、响应速度、载流子迁移率、迟滞效应等）相比传统转移技术制备的器件获得显著提升，最高可达30倍！这项技术为制造高性能二维材料电子和光电器件提供了一种高效可靠的方案。
研究背景
二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）及其异质结构因其独特的电学、光学和机械性能，在下一代电子和光电器件中展现出巨大潜力。尽管材料生长技术不断进步，但机械剥离法获得的二维晶体质量通常更优。然而，在将剥离的二维晶体组装成异质结构器件时，传统的聚合物支撑转移技术（c-transfer）存在一个关键问题：聚合物与二维材料直接接触，导致界面残留污染物（如聚合物残留和气泡）。这些污染物会严重劣化器件性能，成为限制器件性能的关键瓶颈。虽然已有一些改进方法（如无机转移、金辅助剥离），但它们或工艺复杂，或仍可能引入污染。因此，开发一种简单高效且能实现无污染界面组装的技术至关重要。
研究内容
图1. 传统转移（c-transfer）与范德华转移（vdW-transfer）工艺对比。(a) c-transfer工艺示意图。该技术采用平坦聚合物作为粘附层，所制备的二维晶体含有大量聚合物残留物与气泡。(b) vdW-transfer工艺示意图。该技术采用范德华辅助层作为粘附层，目标二维晶体在转移过程中不与聚合物直接接触，因而保持无污染状态。
图1中使用我司 “ E1-T 二维材料转移平台 ” ，采用全干法转移技术制备二维晶体堆叠结构。
迈塔光电E1系列多功能二维材料转移实验平台可实现低维材料转移精确定点转移、多层范德华异质结制备，是研究异质结特性、空间反演对称性破缺、以及二维材料不同堆叠方式、魔角超导的有力工具。适用于石墨烯、硫化钼、黑磷等单层材料，范德华异质结，扭曲魔角异质结，纳米线/片，电极阵列等，以及5-100um的微小样品。
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对比了c-transfer（a）和vdW-transfer（b）的过程示意图。c-transfer导致界面污染（残留物和气泡），而vdW-transfer通过辅助层隔绝了聚合物与目标材料的接触，获得洁净界面。
图2. MoS2/WSe2异质结构的光学显微镜图像和原子力显微镜图像。(a, d) 分别为通过传统转移 (c-transfer) 技术 (a) 和范德华转移 (vdW-transfer) 技术 (d) 制备的MoS2/WSe2异质结构的光学显微镜图像，其中粉色虚线区域为位于顶部的MoS2，蓝色虚线区域为位于底部的WSe2。 (b, e) 为 (a) 和 (d) 中黑色虚线区域的翻转 Z 轴高度原子力显微镜图像。(c, f) 为 (a) 和 (d) 中黑色虚线区域的原子力显微镜图像。 (c) 和 (f) 的右上角插图对应于 (c) 和 (f) 中的白色虚线，其均方根粗糙度 (RMS) 分别为 6.67 nm 和 1.52 nm。
图 2 展示了通过传统转移（c-transfer）和范德华转移（vdW-transfer）技术制备的 MoS2/WSe2异质结构的光学显微镜图像和原子力显微镜（AFM）图像，具体内容如下：
1.光学显微镜图像：图 2a 为 c-transfer 制备的异质结构，粉色虚线区域为顶部的 MoS2，蓝色虚线区域为底部的 WSe2。图 2d 为 vdW-transfer 制备的异质结构，结构分层与 c-transfer 类似，但表面更均匀。
2.原子力显微镜（AFM）图像：
图 2b 和图 2e 分别为图 2a 和图 2d 中黑色虚线区域的翻转 Z 轴高度 AFM 图像（将正 Z 轴高度值转为负值）。
图 2c 和图 2f 为对应区域的 AFM 高度图像，右上角插图为白色虚线处的截面分析：c-transfer 样品表面均方根粗糙度（RMS）为 6.67 nm，显示明显的聚合物残留和污染。vdW-transfer 样品表面 RMS 仅 1.52 nm，呈现原子级平整，证实污染显著减少。
总的来说，vdW-transfer 技术通过引入范德华辅助层，有效避免了聚合物与二维材料的直接接触，显著提升了异质结构的表面清洁度和界面质量，该方法对 MoS2、WSe2等二维晶体具有通用性。
图 3. 传统转移光电探测器（c-PD）与范德华转移光电探测器（vdW-PD）的光电性能对比。(a, d) 分别为 c-PD（a）和 vdW-PD（d）在不同 520 nm 激光强度下的 I–V 曲线。 (b, e) 为 c-PD（b）和 vdW-PD（e）在 520 nm 激光照射、零偏压条件下的光电流（Iph）扫描映射图，其光响应面积分别约为128.3 um2和226.8 um2。 (c, f) 为 c-PD（c）和 vdW-PD（f）在零偏压下、不同 520 nm 激光强度时的时间分辨光响应曲线。 (g, h) 为 c-PD（g）和 vdW-PD（h）的光电流（Iph）及响应度（R）随光强的变化关系。 (i) 为 c-PD（青色）和 vdW-PD（棕色）的上升和下降时间对比。
为验证所提出转移方法的优势，我们采用传统转移（c-transfer）和范德华转移（vdW-transfer）技术分别制备了 MoS2/WSe2异质结构光电探测器，分别记为 c-PD 和 vdW-PD，通过光学显微镜图像和原子力显微镜，我们选择了厚度相近的薄片：c-PD 中 MoS2和 WSe2的厚度分别为 53.7 nm 和 24.3 nm，而 vdW-PD 中对应厚度为 50.4 nm 和 22.4 nm。
电学测量表明，两种器件在暗态 I-V 曲线中均表现出整流行为（支持信息图 S8 a, b），证实 p-n 二极管制备成功。零偏压下光照时的非零电流（图 3a, d）表明器件具有显著的光伏效应。为研究器件的光活性区域，我们进行了光电流映射 —— 如图 3b, e 所示，仅 MoS2/WSe2结区对光电流有贡献，动态响应曲线（图 3c, f）显示器件具有稳定且快速的响应能力
尽管两种器件均表现出良好的光响应行为，但 vdW-PD 在光响应度和响应时间方面优于 c-PD。c-PD 的导通态电流（Vbias=2V）比 vdW-PD 低 23 倍（支持信息图 S8a, b），导致整流比（I2V/I-2V）下降一个数量级。c-PD 和 vdW-PD 的光电流（(Iph)，从图 3c,f 中提取）与光强（Φ，520 nm）的关系如图 3g,h 所示：当 Φ 从 1.63 增加到 16.8 mW/cm2 时，c-PD 的Iph呈亚线性增长，光响应度（R）用于表征光电探测器性能，计算公式为：
其中 S 为光活性区域面积。c-PD 和 vdW-PD 的光活性区域分别约为 128.3 μm2 和 226.8 μm2（图 3b, e）。c-PD 的 R 随 α 增加从 15.7 mA/W 急剧降至 7.1 mA/W，而 vdW-PD 保持稳定的响应度，平均值为 40.3 mA/W（图 3g, h），是 c-PD 的 5.7 倍（支持信息图 S9）。此外，vdW-PD 的响应时间（上升 / 下降时间为 5.8/4.8 μs）也比 c-PD（80/78 μs）更快，如图 3i 所示。
文章中针对2D异质结光电器件进行了光电测试。并对该器件进行了转移输出曲线的测试，变光强 I-V和变光强I-T测试，变光强下器件响应的变化，以及器件的响应速度测试。南京迈塔光电科技有限公司开发的 “ ScanPro Advance 高分辨高速多物理量扫描综合测试系统 ” 在一套设备上可进行以上的所有测试。
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图4. c-FET 和 vdW-FET 的电子性能对比。(a, d) 在源漏电压Vds=0.1V 和扫描速率 0.3 V/s 条件下，c-FET (a) 和 vdW-FET (d) 的十个周期对数刻度双扫描转移曲线。(b, e) 扫描速率为 0.3 V/s 时，c-FET (b) 和 vdW-FET (e) 的十个周期线性刻度双扫描转移曲线。(c, f) 在源漏电压Vds=0.1V 的恒定栅压下，c-FET (c) 和 vdW-FET (f) 的漏源电流 - 时间(Ids-T）曲线。(g, h) c-FET (g) 和 vdW-FET (h) 的输出曲线。(i) c-FET 和 vdW-FET 的平均空穴迁移率 μ（蓝色）和阈值电压差ΔVT（橙色）。
图 4 对比了传统转移（c-FET）和范德华转移（vdW-FET）制备的 WSe₂场效应晶体管的电子性能：
1. 转移曲线：c-FET 的对数和线性双扫描转移曲线（图 4a、b）显示明显滞后，正向与反向扫描的阈值电压差（ΔVT）平均为 1.59 V，且十次循环后电流显著衰减；vdW-FET 的转移曲线（图 4d、e）几乎无滞后，ΔVT 仅 0.16 V，电流稳定性优异。
2. 漏源电流 - 时间（Ids-T）曲线：c-FET 在恒定栅压下电流大幅衰减（如 - 10 V 时 72.8%），而 vdW-FET 电流几乎无变化，表明界面陷阱减少。
3. 输出曲线：c-FET 的输出曲线（图 4g）因界面缺陷出现不对称，vdW-FET（图 4h）在不同栅压下保持良好线性对称。
4. 迁移率与阈值电压：vdW-FET 的空穴迁移率达 7.52 cm2・V-1・s-1，较 c-FET（0.26 cm2・V-1・s-1）提升近 30 倍；亚阈值摆幅（SS）从 1.79~2.24 V/dec 降至 0.54 V/dec，界面陷阱密度降低一个数量级。
原文链接
Contamination-free assembly of two-dimensional van der Waals heterostructures toward high-performance electronics and optoelectronics
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2025.102657
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