App.Mater.&Inter.：二维材料范德华结的干法转移至图案化基底！！

本文介绍了一种将二维（2D）材料从SiO2基底转移到图案化基底的方法，该方法使用聚氯乙烯（PVC）层安装在聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章结构上。通过调整PVC/PDMS印章的粘附性和曲率，实现了高成功率的2D晶体薄片的干式转移。这种方法不仅能够转移2D晶体薄片，还能够制造悬浮的范德华（vdW）异质结构，并通过在Au涂层的沟槽基底上简单地转移vdW异质结构来制造悬浮的vdW场效应晶体管器件。

背景

二维晶体薄片如石墨烯和过渡金属二硫化物（TMDs）具有薄且柔性的特点，可以通过热塑性聚合物从一基底机械拾取并转移到另一基底。将2D晶体薄片转移到图案化基底上，可以制造出多种功能和应用的结构，例如悬浮膜。这些悬浮膜被用于研究2D材料的机械强度、振动频率和应变依赖性质，以及在透射电子显微镜（TEM）和热测量中的热传导和光吸收最小化。

主要内容

• 提出了一种使用PVC/PDMS印章从SiO2/Si基底向图案化基底转移2D晶体薄片的方法。
• 通过调整PVC层中高粘度增塑剂的含量，实现了对PVC/PDMS印章的粘附性和曲率的优化，从而提高了转移成功率。
• 展示了通过在PVC/PDMS印章上组装2D晶体薄片并转移到图案化基底上，制造悬浮vdW异质结构的能力。
• 利用该方法制造了悬浮vdW场效应晶体管器件，并通过离子门控调节载流子密度。

实验细节概括

• 使用机械剥离法在SiO2/Si基底上制备2D晶体薄片。
• 制备PVC薄膜和PDMS印章，并将PVC薄膜安装在PDMS印章上。
• 通过控制加热器温度，调整PVC印章与2D晶体薄片之间的粘附力，实现晶体薄片的拾取和释放。
• 将2D晶体薄片转移到具有不同表面结构的Si基底上，如沟槽、圆孔和周期性孔或沟槽图案。
• 通过在PVC/PDMS印章上顺序拾取多个2D晶体薄片，制造悬浮vdW异质结构。

创新点

1. 提出了一种干式转移方法，避免了传统湿法转移中溶剂浸泡可能导致的2D晶体薄片破坏。
2. 使用PVC/PDMS印章，实现了对2D晶体薄片的高成功率转移。
3. 通过调整PVC层中增塑剂的含量，优化了印章的粘附性和曲率，提高了转移过程中的定位精度和成功率。
4. 展示了在Au涂层的沟槽基底上制造悬浮vdW场效应晶体管器件的能力，拓宽了2D材料的应用范围。
5. 转移成功率：通过优化PVC层中增塑剂的含量，实现了高成功率的2D晶体薄片转移。
6. 印章结构优化：使用半圆柱形（kamaboko-shaped）PDMS作为机械支撑，提高了转移过程中的定位精度和成功率。
7. 增塑剂粘度影响：使用高粘度的增塑剂（PN-5090）与PVC层结合，提高了转移到Au涂层基底的成功率。
8. 塑料含量调整：PVC薄膜中增塑剂含量的调整对于实现高成功率的干式释放至关重要，50 phr（每百树脂）的增塑剂含量被确定为最佳。
9. 器件性能：制造的悬浮h-BN/TLG器件在室温和真空条件下展示了良好的欧姆接触，接触电阻率约为6 × 10^-5 Ω·cm^2，表明通过该方法实现了h-BN/TLG与Au基底之间的良好接触。

结论

本研究展示了一种基于从SiO2/Si基底拾取剥离的2D晶体薄片并将其转移到图案化基底的方法，以制造悬浮的2D晶体薄片结构。通过优化PVC/PDMS印章的粘附性和曲率，实现了高成功率的干式释放2D晶体薄片，避免了溶剂浸泡的可能破坏。这种方法有望促进具有各种表面结构的基底上2D晶体薄片的转移，从而扩大2D材料的应用范围。

图文内容

图1。(a) 二维晶体薄片转移装置的示意图。(b) 转移过程的示意图。(c) 照片流程图，展示了从二氧化硅/硅（SiO2/Si）基底向带有沟槽图案的硅（Si）基底转移六方氮化硼（h-BN）薄片的过程。

图2. 将六方氮化硼（h-BN）薄片转移到具有(a)沟槽、(b)孔、(c)周期性孔和(d)六边形孔图案结构的硅基底上：示意图（第一行）、显微照片（第二行）、显微照片中叠加的黑色矩形框高亮区域的原子力显微镜（AFM）图像（第三行），以及对应AFM图中蓝色线标记位置的横截面AFM轮廓（第四行）及示意图（第五行）。

图3. 在图案化硅基底上制备范德华（vdW）异质结构：(a) 沟槽上的六方氮化硼（h-BN）/石墨烯、(b) 孔上的h-BN/石墨烯/h-BN、(c) 孔图案上的h-BN/石墨烯以及(d) 孔图案上的二硫化钼（MoS2）/石墨烯的示意图（第一行）和显微照片（第二行）。叠加的虚线表示石墨烯的位置。

图4。(a) PVC/PDMS印章示意图。(b) 在使用鱼糕形（左）和穹顶形（右）PDMS进行干脱模过程中施加力的方向。(c) 显示鱼糕形（左）和穹顶形（右）PDMS的俯视图和横截面的显微照片。红色线条是叠加在图像上的表面弧线的拟合线，用于突出不同的曲率。(d) 在干脱模过程中，根据增塑剂类型的不同，PVC膜与基底之间的剥离界面存在差异：含有78份增塑剂DOP的PVC膜（左）和含有50份增塑剂PN-5090的PVC膜（右）。

图5。(a) 带有分裂式Au/Cr电极的悬浮六方氮化硼（h-BN）/石墨烯场效应晶体管（FET）器件示意图。离子液体被注入凹槽中，并用作液体栅极以调节载流子浓度。(b) 器件的横截面结构。(c) 室温下，两端电阻随栅极电压（下轴）和载流子浓度（上轴）的变化关系。插图：器件的显微照片。叠加的虚线轮廓表示三层石墨烯（TLG）。

文献：

Dry Transfer of van der Waals Junctions of Two-Dimensional Materials onto Patterned Substrates Using Plasticized Poly(vinylchloride)/Kamaboko-Shaped Polydimethylsiloxane , App.Mater.&Inter，2024.

https://doi.org/10.1021/acsami.4c05972