中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
SC7組供稿
第41期
2020年05月26日
普適性機械解理技術制備大面積二維材料

  二維材料家族涵蓋了絕緣體、半導體、金屬和超導體,并展現出許多不同于三維材料的新奇物性,是近年來凝聚態物理和材料科學領域的研究熱點。制備高質量的二維材料,特別是原子層量級的超薄材料,是開展二維材料前沿探索的基礎。2004年,諾貝爾物理學獎得主Geim教授和Novoselov教授最早發展出了機械解理技術,并獲得了單層石墨烯,掀起了二維材料的研究熱潮。近十多年來,機械解理技術已被廣泛應用于制備各種高質量的二維材料。石墨烯、MoS2以及單層高溫超導材料Bi2212等諸多材料的本征物理性質,都是在機械解理的樣品上觀察到。在異質結和轉角石墨烯等人造晶體中,機械解理的樣品也同樣展現出獨特的優勢。機械解理的樣品與基底相互作用弱,制備過程相對簡單,樣品質量高,這些優勢使得該方法在二維材料研究中獲得了極大的成功。但是隨著研究的深入,人們發現該方法同樣存在許多不足,特別是制備效率低和樣品尺寸小等問題,限制了許多先進的實驗手段如掃描隧道顯微鏡(STM)、紅外-太赫茲光譜以及角分辨光電子能譜(ARPES)對二維材料的研究。

  2015年,美國布魯克海文國家實驗室(BNL)的黃元博士和Peter Sutter教授與中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心高鴻鈞院士合作,利用氧氣等離子體增強石墨烯和基底相互作用的新型解理方法(ACS Nano. 9 (11), 10612 (2015)),成功獲得了毫米量級的單層石墨烯和高溫超導材料Bi2212,極大的提高了樣品尺寸和制備效率,使得研究單層單晶石墨烯和Bi2212的更多物理性質成為了可能。借助這種改進的機械解理技術,他們還成功制備出石墨烯氣泡和褶皺(Physical Review Letters, 120, 186104 (2018); Carbon 156, 24 (2020) ),并首次在石墨烯氣泡中觀察到具有拉曼震蕩行為的牛頓環。

  近期,中科院物理所周興江研究員團隊、高鴻鈞院士團隊與中國人民大學季威教授和內布拉斯加林肯大學Peter Sutter教授合作,在機械解理技術領域取得了新的重要進展。他們發展了一種金膜輔助的普適性機械解理方法,可以用于獲得大尺寸超薄二維材料。中國人民大學季威教授團隊結合元素周期表中不同元素的相互作用規律,系統計算了58種層狀材料體系與金基底的相互作用 (圖1)。由于二維材料層間是范德華相互作用,而金和許多二維材料可以形成準共價鍵,這種相互作用遠大于范德華相互作用,因此借助金作為媒介層,可以在不影響材料本征物性的前提下高效地解理出大面積的單層樣品。中科院物理所黃元副研究員等人在實驗上成功實現了對40種二維材料的大面積解理,單層二維材料尺寸達到毫米量級以上(圖2和圖3),制備效率接近100%。該研究表明層狀材料的最外層元素和基底的相互作用是影響機械解理最關鍵的因素,因此,針對最外層元素含有VA,VIA,VIIA主族的層狀材料,可以采用金膜輔助的解理方法。


圖1. 不同層狀材料自身層間結合能以及與金相互作用能的對比。

更為重要的是,這種解理方法具有良好的靈活性,可以實現多方面的調控。首先,制備過程無需連續的金膜,可以高效實現懸空樣品的制備,這為研究材料的本征光學性質和輸運性質提供了理想的研究體系;其次,這種方法可以實現基底導電性的調控,針對不同的實驗要求,可以選擇性地改變基底的導電和絕緣。針對掃描隧道顯微鏡(STM/STS)和角分辨光電子能譜儀(ARPES)等需要基底導電的真空表征手段,可以通過增加金膜的厚度,直接將二維材料解理到金膜上,用于研究其原子結構和能帶結構 (圖4)。在前期的研究進展中,周興江研究團隊的劉國東研究員和趙文娟博士等人利用ARPES,在機械解理的大面積單層MoS2上觀察到了清晰的能帶結構( Nano Research, 12(12): 3095 (2019))。針對熒光光譜和電輸運測量,可以將金屬膜的厚度控制在3 nm以下,形成絕緣的金屬島,從而獲得良好的熒光信號和高開關比的場效應晶體管 (圖5),這也是國際上首次在超薄金屬膜上獲得高性能器件,打破了人們之前對于器件加工必須在常規氧化物絕緣基底上實現的認識。此外,這種方法制備過程避免了額外轉移帶來的污染和破壞,并且使用的金僅有幾納米,極大的節省了貴金屬的消耗,為制備高質量二維材料提供了新的思路。

黃元副研究員等人利用該技術在國際上首次解理出大面積的單層FeSe, PtTe2和 PdTe2等材料,為后續開展一些新材料物性的探索打下了良好的基礎。該解理方法展現出了非常好的普適性,可以在透明基底、柔性基底上實現有效解理,為多種光學研究、柔性器件設計提供了新思路。

這一研究成果首次給出了針對不同層狀材料的普適性解理規律,對于探索更多二維材料的新奇物理性質具有重要的推動作用,也為未來大面積晶圓級二維材料的制備和應用提供了新的可能性。相關成果發表在近期的《自然-通訊》雜志上(Nature Communications, 11, 2453 (2020))。該工作得到了科技部重點研發計劃、基金委面上項目、中科院先導計劃及青促會和廣東松山湖實驗室的資助,以及物理所微加工實驗室和N07組各位老師和同學的幫助。

圖2. 機械解理獲得多種大面積高質量超薄二維材料。 (a) 新型機械解理的步驟; (b-e) 不同基底上解理得到的大面積MoS2; (f-g) 解理得到的多種大面積二維材料; (h-j) 異質結及懸空二維材料的拉曼光譜及熒光光譜。

圖3. 解理得到的多種二維材料的光學照片。

圖4. 在大面積的單層樣品上獲得的原子圖像、低能電子衍射斑點及能帶結構圖。

圖5. 通過控制金屬膜的厚度,可以獲得絕緣的金屬膜,可以在器件中實現高開關比和超導特性測量。