本研究提出一种无残留物的制备方法，用于制备二维材料的单层薄片，并仅通过范德华相互作用将其组装成复杂的异质结构。该技术无需使用外部物质或特定实验条件，可通过自下而上、自上而下以及模块化堆叠的方式实现复杂异质结构的组装。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
本研究提出了一种独特的方法，利用范德华（vdW）相互作用制备无残留物的二维（2D）材料单层薄片，并将其组装成复杂的异质结构。该方法着重确保薄片表面无任何可能影响其性能和特性的残留物。原子力显微镜和拉曼光谱的结果证实，所转移的六方氮化硼（h-BN）和二硫化钼（MoS2）薄片具有优异的平整性和无应变特性，这对于电子学和光电子学中的多种应用至关重要。此外，通过使用无残留转移印章，并根据施加在界面处的作用力类型（法向力或剪切力）进行调控，实现了对目标薄片的拾取与释放过程。通过精确控制无残留印章的移动，成功利用自下而上和自上而下的堆叠方式，完成了h-BN/MoS2/h-BN异质结构的组装。进一步地，将预先组装的异质结构进行模块化堆叠，构建出更为复杂的异质结构，展示了该方法的灵活性与可扩展性。本工作不仅实现了二维材料无残留单层薄片的制备，也为范德华异质结构的优化制备技术开辟了新途径。
引言
二维（2D）材料的快速发展已显著改变了众多研究领域，为先进器件的开发创造了前所未有的机遇。这些材料具有优异的电导性、机械强度和热稳定性等卓越特性，使其成为电子与光电子器件、热管理方案、能量存储系统以及传感器应用的理想候选材料1,2,3,4,5,6,7,8。此外，构建范德华（vdW）异质结构的能力进一步增强了其功能性，可实现能带结构和层间相互作用的精确调控9,10,11,12,13。这一能力可带来针对特定应用定制的新颖或优化的材料性能。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
本研究中所用耗材和设备的详细信息列于材料表中。
1. 无残留制造的仪器设备
注意：二维材料的无残留制备在环境条件下使用定制的干法转移装置完成。该装置包含三个主要组件：定制光学显微镜、XY轴样品台和XYZ轴印章操纵器（图1A）。这些组件安装在防震台上，以在操作过程中尽量减少外部干扰。该装置采用手动控制。
- 光学显微镜：为定制的商用光学显微镜配备长工作距离物镜（5×、10×、20×、50× 和 100×），并连接数字相机，以实现适当的放大倍数和充足的操作空间。将相机连接至计算机，并确认其与数据采集软件兼容。
- XY轴样品台：组装两个线性平移台，以实现样品台在X和Y方向上的精确调节。此外，安装一个平面样品 holder，以妥善固定样品并将其置于台面上方（图1B）。
- XYZ轴印章操纵器：使用三个线性平移台和一个直角安装板组装成可在XYZ三个轴向上进行精确调节的操纵器。然后，利用另一个直角安装板和磁性板，通过磁铁牢固固定印章（图1C）。
注意：操纵器必须安装在距离样品台足够近的位置，以确保印章能够充分接触样品。此外，该平移台在Z轴方向上的移动范围需....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
本方案通过完全利用范德华（vdW）相互作用，制备出无残留物的单层薄片及复杂的异质结构组装体。在先前的研究中，已对无残留二硫化钼（MoS2）薄片的表面形貌、化学组成和电学性质进行了全面表征22。如图7所示，采用高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）在原子尺度上检测表面结构。HR-TEM图像和选区电子衍射（SAED）图样证实了MoS2具有对称的六方晶体结构。此外，能量色散X射线光谱（EDS）提供了元素分布图和成分分析，结果显示碳和氧原子的含量可忽略不计，表明聚合物残留和氧化程度极低。同时，采用X射线光电子能谱（XPS）分析元素的化学态。Mo 3d和S 2p谱峰位置与先前研究结果一致26。观察到的微弱MoOx峰强度与未处理的块体晶体中相当，说明制备过程中氧化可忽略。对所制备场效应晶体管的电学测量进一步证实了薄片具有优异的电子质量，其最大场效应迁移率为60 cm.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
利用范德华相互作用并控制范德华界面处施加力的方向，可实现从无残留单层薄片到异质结构的组装。与其他方法相比，该方法无需复杂的基础设施、严格的制备工艺以及暴露于聚合物、溶剂或温度变化等实验变量23,24。除了制备无残留单层薄片外，还可通过自上而下、自下而上以及模块化堆叠的方式组装范德华异质结构。
印章倾斜（约5°）在获取薄片或使用无残留胶带印章进行操作时至关重要。这种倾斜有助于精确控制二维材料与无残留印章之间的接触面积，确保稳定可靠的调节。为了对倾斜角度提供更严格的标准，进行了一系列实验 通过将倾斜角度从 0° 变化至 11.3° 进行实验，每一步骤重复 20 次，如步骤 3.3.5 所述。只有当倾斜角度至少为 5° 时，无残留区域的产率才超过 75%；而较低角度则导致产率显著下降（插图 图2E）。值得注意的是，在0°时，该过程完全不可行。因此，建议最小倾斜角度为5°.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究由韩国国家研究基金会（NRF）资助，该基金会由韩国政府（科学技术信息通信部）资助（项目编号：RS-2022-NR070247 和 RS-2023-00218908），以及由韩国科学技术院（GIST）资助的 GIST-MIT 研究合作项目支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 原子力显微镜 | Park Systems | XE-100 | |
| 共聚焦拉曼显微镜 | Horiba | LabRAM HR Evolution | |
| 接触模式原子力显微镜探针 | Nanosensors | PPP-CONTSCR | 用于接触模式测量，弹簧常数：0.2 N/m |
| 数码相机 | SONY | E3ISPM06300KPB | |
| 双面聚酰亚胺胶带 | Daehyun ST | ST-930H | 用于将单面胶带固定在玻璃载片上 |
| 六方氮化硼晶体 | 2D Semiconductors | BLK-hBN | 高压砧块法生长 |
| MoS2晶体 | 2D Semiconductors | BLK-MoS2-SYN | 合成晶体，助熔剂区熔法生长 |
| 非接触模式原子力显微镜探针 | Nanosensors | PPP-NCHR | 用于纳米挤压，高弹簧常数：42 N/m |
| 光学显微镜 | OLYMPUS | BX51 | |
| 等离子体系统 | Femto Science | CUTE-1MP/R | 用于氧气等离子体处理 |
| 单面胶带 | Nitto Denko | Revalpha RA-98LS(N) | 高刚性胶带 |
| 超声波清洗机 | Branson | 5510E-DTH |
参考文献
- Piacentini, A., et al. Stable Al2O3 encapsulation of MoS2-FETs enabled by CVD grown h-BN. Adv Electron Mater. 8 (9), 2200123(2022).
- Wu, Y., et al. scaled graphene transistors on diamond-like carbon. Nature. 472 (7341), 74-78 (2011).
- Zhang, S., <....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
