一种低熔点金属辅助的二维材料无损转移方法

：本发明涉及二维材料无损转移领域，具体为一种低熔点金属辅助的二维材料无损转移方法，不涉及任何氧化性化学试剂，适用于对金属衬底上生长的二维材料洁净无破损无掺杂转移。

背景技术

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背景技术：

1、集成电路工业以减小单个晶体管的尺寸和增加其集成密度而不断向前推进，但传统硅基器件掺杂工艺的复杂性和短沟道效应加剧使得摩尔定律难再延续。自2004年以来，石墨烯、六方氮化硼和二硫化钼为代表的新兴二维材料的发现为科学界和产业界掀开了新的篇章，而近期报道的mosi2n4家族二维材料以其高的理论载流子迁移率、合适的带隙、优异的力学性质及热输运特性，在电子/光电子器件、自旋器件、太阳能电池、传感、探测等诸多领域拥有潜在的应用价值，为摩尔定律的延续提供了新的思路。化学气相沉积法是mosi2n4等二维材料高效制备的常用方法，而金属基底以其良好的催化活性成为制备过程中的首选衬底。但实际应用时通常需要将金属基底上生长的二维材料转移至其他目标基底上，目前广为采用的是氧化性化学试剂刻蚀法和电化学鼓泡法。电化学鼓泡法对样品和生长基底之间的结合力匹配要求苛刻，通常只适用于极少数样品和基底；氧化性化学试剂在刻蚀金属基底中广为适用，但其在刻蚀基底之余会对样品造成刻蚀和掺杂，使样品破损和改性，难以体现其本征高性能，严重阻碍了其在光电器件等领域中的应用。

2、根据相图，以镓为代表的低熔点金属及其合金，由于其与表面生长有二维材料的金属基底在较低温度下发生合金化，且由于生长基底一般很薄(如：生长石墨烯、六方氮化硼和mosi2n4的铜基底厚度为12.5μm～25μm)，较易完全溶于镓等低熔点金属或合金中，从而达到完全“溶解”的目的。此外，由于该类低熔点金属或合金本身具有还原性和稳定性，不会对二维材料造成氧化和掺杂，不易造成破损和空位等缺陷。由此可见，镓等低熔点金属或合金有望取代过硫酸铵等氧化性化学试剂对金属基底进行“刻蚀”，进而实现二维材料的无损转移，提升了转移之后二维材料的实测性能，这对二维材料的本征物性研究与实际应用具有重要意义。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的目的在于提供一种低熔点金属辅助的二维材料无损转移方法，采用低熔点金属取代氧化性化学试剂对金属基底进行“溶解”，适用于对金属衬底上生长的二维材料洁净无损转移。

2、本发明的技术方案是：

3、一种低熔点金属辅助的二维材料无损转移方法，低熔点金属代替氧化性化学刻蚀剂，通过合金化去除金属基底，该方法包括以下步骤：

4、步骤1：在生长有二维材料的金属基底表面旋涂一层有机物转移介质，然后加热烘干，得到转移介质/二维材料/金属基底复合体；

5、步骤2：将该复合体置于低熔点金属表面，对低熔点金属进行预热熔化，使复合体中的金属基底紧贴液态金属并发生合金化，从而溶解掉金属基底；

6、步骤3：采用电化学产氢鼓泡或聚对苯二甲酸乙二醇酯柔性衬底直接辅助剥离并反捞方法，将液态合金基底与二维材料分离，得到转移介质/二维材料复合体；

7、步骤4：将转移介质/二维材料复合体转移至去离子水中，冲洗后转移至目标衬底上并烘干；

8、步骤5：利用有机溶剂清洗去除有机物转移介质，从而实现二维材料的无损转移。

9、所述的低熔点金属辅助的二维材料无损转移方法，低熔点金属包括但不限于镓、铷、铯、铟、铋、锡单质及其两种或以上的合金。

10、所述的低熔点金属辅助的二维材料无损转移方法，有机物转移介质包括但不限于高聚物或小分子材料，高聚物为聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯醇缩甲醛，小分子材料为石蜡或松香。

11、所述的低熔点金属辅助的二维材料无损转移方法，步骤1中，所转移的二维材料为生长在金属基底上的二维材料单晶或薄膜，金属基底包括但不限于金、银、铜、铁、镍、钴、铂或钯；二维材料包括但不限于mosi2n4、wsi2n4、石墨烯、六方氮化硼、二硫化钨、二硒化钨、二硫化钼、二硒化钼、二硫化铼、二硒化铼之一种或两种以上组成的异质结构材料。

12、所述的低熔点金属辅助的二维材料无损转移方法，步骤1中，将有机物转移介质加热至其熔点以上，并以1000～5000rpm的转速旋涂到生长有二维材料的金属基底表面。

13、所述的低熔点金属辅助的二维材料无损转移方法，步骤2在隔绝氧气的环境下完成，在氮气保护的手套箱中或在低熔点金属表面加有机溶剂进行液封以避免低熔点金属表面氧化。

14、所述的低熔点金属辅助的二维材料无损转移方法，步骤2中，对低熔点金属或合金预热熔化的温度在其熔点之上，于25℃～300℃之间。

15、所述的低熔点金属辅助的二维材料无损转移方法，步骤3中，采用电化学产氢鼓泡法剥离二维材料与金属基底时，先将液态金属置于冷台凝固，冷台温度控制在-18℃，电化学鼓泡在摩尔浓度为0.5～2m的naoh水溶液中进行，采用直流电源恒流模式，电流控制在100～200ma；采用聚对苯二甲酸乙二醇酯柔性衬底辅助直接剥离时，先将热台温度调低至90℃以下，并将聚对苯二甲酸乙二醇酯膜自转移介质一侧粘贴并轻压至两者完全贴合，再次将热台温度提高20～40℃，最终实现聚对苯二甲酸乙二醇酯膜将转移介质/二维材料复合体从液态金属上完整剥离，并将其置于去离子水中采用新的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜进行反捞。

16、所述的低熔点金属辅助的二维材料无损转移方法，步骤5中，采用有机溶剂溶解清除转移介质，有机溶剂包括但不限于丙酮、二氯乙烷、石油醚、正己烷、氯仿、二硫化碳、二甲苯、乙醇中的一种或两种以上。

17、本发明的设计原理是：

18、本发明提出的低熔点金属或合金在室温或稍高温度下呈液态，根据相图，其与表面生长有二维材料的金属基底可在较低温度下发生合金，从而去除金属基底并完整保留有机物转移介质/二维材料复合体。此外，低熔点金属或合金具有还原特性而非氧化性，不仅取代了环境不友好的氧化性化学刻蚀剂，对二维材料也不会造成氧化性刻蚀以及掺杂改性作用。在一定温度下的合金化过程中，有机物转移介质/二维材料一直处于无氧环境中，氧气也不会对样品的转移过程造成氧化损坏和掺杂。由此可见，这种低熔点金属可以实现金属基底上生长的二维材料的无损转移。

19、本发明的优点及有益效果是：

20、1.本发明提出的一种低熔点金属或合金在常温或稍高温度下呈液态，易与二维材料生长所用的金属基底发生合金化，从而彻底去除金属基底并完整保留有机物转移介质/二维材料。

21、2.本发明提出的一种低熔点金属或合金本身具有还原性，在转移过程中不会对二维材料造成氧化和掺杂。

22、3、本发明合金化过程在手套箱或乙二醇液封的环境下进行，避免氧气对二维材料造成氧化或掺杂。

23、4、本发明可以实现二维材料的无损转移，所得二维材料可以保持高的透光率、完整度和洁净度，突破前人必须使用氧化性化学刻蚀剂的困局，使得转移的二维材料具有更完整的表面和不被化学试剂氧化或掺杂的晶体结构，对二维材料的本征物理性能研究和实际应用推广具有重要意义。