刘忠范院士团队：石墨烯转移新概念，无裂纹！

石墨烯生长衬底和特定应用衬底之间的联系可以通过可靠的转移技术来实现，传统上，去除转移过程中支撑石墨烯的聚合物专用机介质会污染石墨烯表面。

北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范院士团队发现聚丙烯腈（PAN）可以作为聚合物介质来转移晶圆尺寸的石墨烯，并作为封装层来提供高性能石墨烯器件。因此，与器件制造兼容的PAN在后续应用中不需要去除。该研究实现了4英寸石墨烯到 SiO₂ /Si 晶圆上的无裂纹转移，以及基于石墨烯的场效应晶体管 （FET）阵列的晶圆级制造，没有观察到明显的掺杂，实现均匀的高载流子迁移率 (~11,000 cm²V^-1s^-1) 和室温下的长期稳定性。

该工作提出了设计二维（2D）材料转移过程的新概念，其中可以保留多功能聚合物，并为制造具有优异性能的2D材料晶圆级器件提供了可靠的方法。相关研究成果以“Polyacrylonitrile as an Efficient Transfer Medium for Wafer-scale Transfer of Graphene”为题，5月13日发表于《Advanced Materials》。

基于PAN的晶圆级转移和封装

由于PAN和石墨烯之间的强相互作用，4英寸石墨烯晶圆成功地从铜衬底上剥离。然后，将石墨烯薄膜层压到具有预制电极的SiO₂/Si衬底上，用于接触石墨烯（图1a）。在层压到SiO₂/Si上后，转移过程中支撑石墨烯的PAN保留在石墨烯的顶表面，作为器件制造后的封装层。使用光学显微镜（OM）来观察裂纹区域，以探测转移到4英寸SiO₂/Si衬底上的石墨烯的完整性，确认平均完整性超过99.0%。

在传统的基于刻蚀或气泡插层的转移方法中，由于石墨烯与水接触，不可避免地会发生掺杂。在此方法中，石墨烯从生长衬底的剥离和到目标衬底的层压都在干燥状态下进行，从而抑制了转移引起的掺杂并改善了电子性能，如载流子迁移率。

为与晶圆尺寸的器件制造兼容，研究人员采用光刻技术将覆盖PAN的石墨烯图案化为Hall bar结构。在整个晶圆上制造了400个器件，以探测场效应载流子迁移率和石墨烯器件的相应均匀性（图1f）。提取的平均载流子迁移率达到约11,000 cm²V^-1s^-1，最高值为约14,000 cm²V^-1s^-1（图1h）。这种提高的载流子迁移率和均匀性满足了石墨烯电子学和光子学的基本要求。相比之下，由PMMA转移的晶圆级裸石墨烯器件表现出相对较低的载流子迁移率以及测得的Dirac点位置的偏移，表明水参与转移导致了强p型掺杂。

图1. 基于PAN的石墨烯晶圆级转移与石墨烯器件的制备。

转移PAN/石墨烯的质量和均匀性评估

研究的关键是聚合物封装石墨烯时不引入的额外掺杂。在不同聚合物覆盖的石墨烯中，PAN/石墨烯显示出相对较窄的2D带半高宽（FWHM(2D)）约为25.1 cm^-1，比通过其他聚合物转移的石墨烯要窄（图2b），表明PAN/石墨烯中的掺杂和应变水平受到了抑制。通过大面积拉曼表征，确认这种掺杂的减少在整个晶圆上是均匀的。

通过器件在整个晶圆上的传输曲线中Dirac点位置接近零来确认整个晶圆上掺杂水平均匀降低的现象（图2e）。具体来说，PAN/石墨烯器件的平均Dirac点位置约为0.33 V，分布范围从-2.5 V到2.5 V（图2f）。相比之下，由PMMA、PC和PI覆盖的石墨烯器件展示了分别为4602 cm²V^-1s^-1、4881 cm²V^-1s^-1和1000 cm²V^-1s^-1的迁移率，以及大于100.0 V、46.0 V和33.5 V的Dirac点位置。

密度泛函理论（DFT）计算了PAN在石墨烯上的吸附以及对石墨烯和SiO₂/Si基底之间相互作用的影响，确认了PAN层覆盖在石墨烯上可以诱导石墨烯膜从SiO₂/Si基底上升起，从而减少来自基底的散射以保持高迁移率并降低掺杂水平。此外，Bader电荷分析显示PAN和石墨烯之间几乎没有电荷转移（ΔeG = -0.05 e），表明PAN几乎不在转移后的石墨烯中引入掺杂。

图2. 转移后的PAN/石墨烯在Si/SiO₂上的掺杂被抑制。

转移后的PAN/石墨烯的稳定性评价

长期稳定性是电子器件的另一个主要问题。研究人员监测了暴露在空气中一周后FWHM(2D)和器件性能的变化。具体来说，PAN覆盖的石墨烯的FWHM(2D)几乎没有变化（从25.6 cm^-1到25.9 cm^-1）（图3a），而裸石墨烯的FWHM(2D)在一周暴露后从33.7 cm^-1变化到35.4 cm^-1（图3b）。此外，ωG作为ω2D的函数的图也反映出PAN/石墨烯在暴露后的掺杂水平没有变化（图3c）。

在一周的空气暴露期间，PAN/石墨烯器件的载流子迁移率从11429降至11121 cm²V^-1s^-1，出现了轻微的减小，而裸石墨烯器件的载流子迁移率从3983降至3440 cm²V^-1s^-1，减小了13.6%。此外，裸石墨烯器件的Dirac点出现明显的偏移，是由于吸附了空气中的水分和杂质（图3e）。相比之下，PAN作为水汽和氧气的屏障，确保了石墨烯器件的长期稳定性。

图3. 转移后的PAN/石墨烯器件的长期稳定性。

/ 轻松去除PAN层 /

在需要优秀器件性能和稳定性的电子应用中，通常需要直接暴露的石墨烯表面，比如传感器和微机电系统。研究人员对PAN/石墨烯进行了150°C的退火处理，以形成石墨烯与SiO₂/Si基底之间的共形接触，进而阻碍了去除PAN过程中的分子插层。在去除PAN薄膜后，石墨烯在4英寸SiO₂/Si基底上的高完整性保持率大于99%（图4a、b）。此外，为了评估去除PAN层后石墨烯的电性能，研究人员制备了10个使用去除PAN层后转移的石墨烯的石墨烯器件，并测量了载流子迁移率，其平均值为8579 cm²V^-1s^-1。

通过Raman光谱图中C≡N峰的消失和去除PAN后石墨烯中无缺陷相关的D带的缺失，确认了PAN的成功去除（图4e）。通过对由PAN和其他聚合物转移的石墨烯薄膜的ωG作为ω2D的图，证实了即使在去除聚合物后，石墨烯中的低掺杂水平仍然保持不变。

图4. PAN的轻松去除。

结论

研究表明，聚丙烯腈（PAN）可辅助整个晶圆尺度上的2D材料转移，并实现对空气污染物的有效封装。由于电荷转移受到抑制并且界面清洁，4英寸SiO₂/Si晶圆上的整个晶圆尺度的石墨烯器件阵列表现出高迁移率（~11,000 cm²V^-1s^-1），室温下接近零的Dirac点（~0 V），具有优异的均匀性和长期稳定性。

该工作不仅提出了转移2D材料的新概念，其中具有多功能性的转移介质聚合物可以保留以改善目标基底上器件的性能，而且还为制备具有良好均匀性和稳定性的高性能2D材料器件提供了一条途径，这对于发现它们的“杀手级”电子应用至关重要。

原文：https://doi.org/10.1002/adma.202402000