石墨烯优异的电学和光学等性质，使其在高端电子、光电子器件等领域有着广阔的应用前景。化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）方法制备的石墨烯薄膜材料具有质量高、大面积、层数可控等优点。然而石墨烯薄膜通常需要在金属衬底上制备，为实现其后续功能应用，通常需要将金属衬底上制备的石墨烯薄膜转移至目标功能衬底上，而大面积石墨烯转移过程中通常会产生石墨烯破损、褶皱和污染等问题，严重影响转移后石墨烯的性质。因此如何实现石墨烯大面积无损、洁净转移仍是石墨烯应用领域的研究技术瓶颈，亟待解决。
针对这一问题，最近，北京大学化学与分子工程学院刘忠范课题组、彭海琳课题组、材料学院林立课题组与中科院力学所魏宇杰课题组通过设计转移媒介的分子结构，在传统的转移媒介聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate, PMMA）加入含羟基易挥发小分子，确保了石墨烯与目标功能衬底之间的共形接触，进而通过机械剥离方法实现了转移介质与石墨烯的分离，得到了洁净、完整的石墨烯表面，实现了大面积石墨烯薄膜无损洁净转移。研究成果以“Large-area transfer of two-dimensional materials free of cracks, contamination and wrinkles via controllable conformal contact”为题，近期发表于《自然-通讯》（Nature Communications 2022, 13, 4409）上。
文章指出，石墨烯薄膜成功转移的关键是通过转移媒介的结构设计，实现其与目标衬底之间的共形接触。由于石墨烯和目标衬底的良好贴合，可以有效避免转移中石墨烯受到应力而产生的破损和褶皱问题。对于硅基衬底，研究团队设计了含羟基的挥发性小分子嵌入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）链中作为转移媒介，通过加热，小分子挥发，导致PMMA链重新堆叠，推动石墨烯和目标衬底共形贴合，成功实现4英寸晶圆石墨烯完整转移。对于粗糙度较高的聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene glycol terephthalate, PET）衬底，通过将低玻璃化转变温度的聚碳酸亚丙酯嵌入PMMA链中，加热后聚合物玻璃化转变使得石墨烯在PET表面铺展浸润，可以成功实现A4尺寸石墨烯薄膜的完整转移，完整度可达99%。
在传统的石墨烯转移方法中，采用PMMA作为转移媒介，再利用丙酮溶解去除PMMA。然而，PMMA通常难以完全去除，导致石墨烯表面残留污染物。对此，研究团队提出了通过共形接触使石墨烯和目标衬底具有强作用力，进而后续可以直接剥离去除转移媒介，替代了传统的丙酮除胶的方法，大大节约成本的同时可以实现批量化转移。借助原子力显微镜可以清楚显示石墨烯表面洁净无污染。为评估转移后石墨烯的电学性质，研究团队构筑了氮化硼封装石墨烯器件，经测试可知其室温迁移率可达120000 cm2/Vs，低温（4K）迁移率高达1420000 cm2/Vs。该转移方法也适用于MoS2等二维材料的转移。
图 大面积石墨烯薄膜无损洁净转移方法和性质评估
该论文的共同通讯作者为北京大学刘忠范教授、林立特聘研究员、彭海琳教授和中国科学院力学研究所魏宇杰研究员。共同第一作者是北京大学化学学院博士研究生赵一萱、北京大学化学学院博士后宋雨晴、北京石墨烯研究院胡兆宁博士和曼彻斯特大学博士后王文栋。该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市科委、北京分子科学国家研究中心等项目资助。
原文链接https://www.nature.com/articles/s41467-022-31887-z
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