Nat.Com：北大彭海琳老师，二维材料转移新方法：基于环十二烷的高完整性清洁转移方法！！！

本文提出了一种基于环十二烷的高完整性清洁转移方法，用于制造悬浮的二维材料。这种方法适用于制造大面积、无裂纹、无污染的悬浮二维材料，如石墨烯和MoS2，具有重要的科学意义和应用前景。

背景：

二维材料因原子厚度而展现出与体材料不同的非凡性质，在电子、光子和能源相关技术领域具有巨大应用潜力。然而，由于其对环境的高度敏感性，二维材料的高性能制备一直是一个挑战。

主要内容：

研究团队开发了一种无需聚合物的转移方法，使用挥发性微分子环十二烷（CD）作为转移介质，确保了悬浮二维材料表面的超清洁和完整性。该方法成功制造了单层悬浮石墨烯，其完整性在10微米以下尺寸时可达99%，悬浮尺寸最大可达36微米。

实验细节概括：

实验中，首先在铜基底上通过化学气相沉积（CVD）生长石墨烯，然后利用环十二烷作为支撑层，通过加热使CD熔化并覆盖石墨烯表面，随后在室温下重新固化形成稳定的支撑层。在转移过程中，CD保护石墨烯免受裂纹损伤。通过CD的自发升华，实现了石墨烯的清洁转移。此外，该方法还适用于其他二维材料，如MoS2。

创新点：

1. 提出了一种基于环十二烷的清洁转移方法，避免了传统聚合物支撑剂可能带来的污染问题。
2. 实现了大面积、高完整性的悬浮二维材料的制备，特别是对于石墨烯，其完整性和悬浮尺寸均达到前所未有的水平。
3. 该方法具有普适性，不仅适用于石墨烯，还适用于其他二维材料如MoS2。
4. 悬浮石墨烯的完整性：在尺寸小于10微米的区域，悬浮石墨烯的完整性达到了99%，且最大悬浮直径可达36微米。
5. 表面清洁度：通过原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）表征，证实了转移后的石墨烯表面清洁、无污染。（石墨烯Ra~0.205nm）
6. 热导率测量：利用拉曼光谱方法测量了大面积清洁悬浮石墨烯的热导率，结果为4914 W m^-1 K^-1（在338 K时）。
7. 拉曼光谱分析：通过拉曼光谱分析，确认了悬浮石墨烯的高质量和低应变水平，以及MoS2的单层和多层特性。
8. 转移机制：通过观察CD在石墨烯表面的自发升华过程，揭示了CD作为支撑层在转移过程中保护石墨烯免受损伤的机制

结论：

该研究不仅为大面积悬浮二维材料的制备提供了一种高效、清洁的方法，而且为研究其内在性质和推动其在高分辨率透射电子显微镜（TEM）表征等领域的应用奠定了基础。

图文内容

图1 | 使用环十二烯（CD）作为支撑层的单层悬浮石墨烯的高完整性和清洁转移方法。a 转移石墨烯到透射电子显微镜（TEM）孔基底的过程示意图。b 使用CD辅助转移到TEM网格上的石墨烯的光学图像。透明物质为CD。c 扫描电子显微镜（SEM）图像，显示了在SiN孔基底上的单层悬浮石墨烯，每个孔的直径为10 µm。d 在TEM碳基底上的悬浮石墨烯，孔分布均匀，每个孔的直径为1.2 µm，完整性约为99%。e 在TEM网状碳基底上的悬浮石墨烯，孔的平均直径约为8 µm，计算的完整性约为99%。f 单层悬浮石墨烯的悬浮直径约为36 µm。g 本研究中不同悬浮直径下的单层悬浮石墨烯的完整性。误差条为补充图4–8中的统计结果。

图2 | 使用CD支撑层的清洁转移方法。a 使用CD辅助转移到硅片上的单层石墨烯的光学图像。b–c 通过原子力显微镜（AFM）表征和转移到硅片上的石墨烯高度分布。Ra：平均粗糙度。d 使用CD作为支撑层在SiN孔基底上制备的单层悬浮石墨烯的AFM表征，悬浮区域的直径为10 µm。e–f 转移到SiN孔基底上的单层悬浮石墨烯的透射电子显微镜（TEM）表征和选区电子衍射（SAED）。

图3 | 高质量单层悬浮石墨烯。a 使用CD（红色）或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，紫色）转移的悬浮石墨烯的拉曼光谱，以及使用CD（橙色）或PMMA（蓝色）转移的支持在硅片上的石墨烯。b 拉曼2D峰与G峰强度比（I2D/IG）的统计结果。c 2D峰半高宽（FWHM2D）的统计结果。图（b）和（c）中的实线为拟合分布曲线。d 拉曼光谱中2D峰位置与G峰位置的关系。e 在不同激光功率下激发的单层悬浮石墨烯膜的拉曼光谱。测量的悬浮单层石墨烯在TEM SiN孔网格上，悬浮直径为10 µm。f 计算的热导率随温度变化（紫点）及其拟合（虚线）。

图4 | 利用CD作为支撑层转移高完整性和清洁的悬浮石墨烯膜的机制。a 完全蚀刻铜基底后，通过CD辅助转移到TEM孔网格上的石墨烯的光学图像，可以通过不同时间阶段的图像观察CD的升华方式。最右侧的图是最终获得的单层悬浮石墨烯的扫描电子显微镜（SEM）图像，显示出较高的完整性。b 在TEM SiN孔基底上悬浮水膜的干燥过程观察，发现连续的水膜能够支撑石墨烯，而断裂的水膜则不能，水膜在几秒钟内可能会破裂。c 传统转移过程中不使用CD的干燥过程示意图，单层悬浮石墨烯（大于5 μm）的膜容易破裂。γs_l 是石墨烯与液体之间的界面张力。d 使用CD作为支撑层的转移方式中CD升华的示意图，可以获得较大尺寸的单层悬浮石墨烯膜。γs_s 是石墨烯与CD之间的界面张力。

图5 | 悬浮MoS2薄膜的制备。a 机械剥离MoS2薄片并将其转移到以CD作为支撑层的TEM孔网基底上的过程示意图。b 机械剥离的MoS2在聚合物聚乙烯醇（PVA）基底上的光学图像，代表了(a)中转移过程的第三阶段。c 最终获得的悬浮MoS2薄片在TEM孔网上的扫描电子显微镜（SEM）图像。d 高放大倍率的透射电子显微镜（TEM）图像显示悬浮的MoS2薄片。e–f 单层和几层MoS2的拉曼表征。

文献：

Wang, Z., Liu, W., Shao, J. et al. Cyclododecane-based high-intactness and clean transfer method for fabricating suspended two-dimensional materials. Nat Commun 15, 6957 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-51331-8