一种二维材料精准转移的方法

本发明涉及二维材料转移，具体涉及一种可减少污染物引入、保证转移界面洁净、提高转移精度的二维材料精准转移的方法。

背景技术：

1、自2004年首次通过机械剥离法制备出石墨烯以来，对二维材料在凝聚态物理学、电子工程、材料科学和化学等不同学科中的研究呈爆炸式增长，独特的结构特征和物理化学性质使其具有广泛的潜在应用。二维材料的结构特性决定了其无法在脱离衬底的情况下保持原有结构单独存在，其与衬底之间通过范德瓦尔斯力相结合，因此理论上二维材料可以与任意衬底进行结合，以适配不同的研究和应用场景。在此过程中，二维材料的转移技术至关重要，研究者们一直在致力于实现二维材料的无损、洁净及精准转移。目前二维材料的转移方法主要可以分为湿法转移和干法转移两种，干法转移可以实现精准转移，但只适用于与衬底结合力弱的材料；湿法转移可以转移与衬底结合力强的材料，但难以实现精准转移。

2、现有技术在对与衬底结合力强的二维材料进行转移时，一般存在以下技术问题：

3、（1）现有技术一般难以将与衬底结合力强的二维材料进行干法转移，且衬底易向转移体系引入污染物；

4、（2）现有技术一般需要采用聚二甲基硅氧烷（pdms）作为转移膜的支撑层以更好地实现二维材料的精准转移，但该方案转移精度仍不高，且支撑层的存在提高了向转移体系中引入污染物的风险，不利于二维材料的洁净转移。

技术实现思路

1、本发明提供了一种二维材料精准转移的方法，用以解决目前现有二维材料转移方法存在的难以干法转移与衬底结合力强的二维材料、易引入污染物难以实现洁净转移的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种二维材料精准转移的方法，包括以下步骤：

4、（1）在衬底上依次涂覆牺牲层和转移膜，得到复合衬底；将二维材料机械剥离至所述复合衬底上，得到二维材料/复合衬底结构；

5、（2）将所述二维材料周边的转移膜和牺牲层划破，使该区域的转移膜和牺牲层与周边分离，得到复合膜层；向所述复合膜层的边缘注入去离子水溶解牺牲层，使复合膜层的转移膜与复合衬底分离，得到负载有二维材料的转移膜；

6、（3）将所述负载有二维材料的转移膜转移至复合结构支架上；所述复合结构支架包括开设有圆形通孔的金属基底和设置在所述金属基底的圆形通孔周围区域表面的聚二甲基硅氧烷层；转移所述负载有二维材料的转移膜时，使所述负载有二维材料的转移膜架设于圆形通孔上方并悬空设置；在所述圆形通孔下方设置密封层封堵所述圆形通孔，所述密封层向圆形通孔内加压使悬空的所述负载有二维材料的转移膜向外突出，形成空气支撑装置；

7、（4）调整所述空气支撑装置的位置使所述负载有二维材料的转移膜和目标衬底贴合，升温使所述转移膜熔覆在目标衬底上，再使用有机溶剂去除所述转移膜，即得到负载有所述二维材料的目标衬底，实现二维材料的精准转移。

8、上述技术方案的设计思路在于，如背景技术提到的，现有二维材料转移工艺中，一般采用先将二维材料剥离至衬底上，于二维材料表面形成转移膜后将转移膜和二维材料转移至支撑层上再进行二维材料转移的方案，但该方案存在二维材料与衬底分离困难、转移体系易引入污染物、转移精度不高的问题，而本发明首先直接将机械剥离的二维材料撕取在转移膜上，一方面避免了二维材料与衬底结合力过高导致揭取困难的问题，为与衬底结合力高的二维材料的转移提供了新思路，另一方面减少了转移前二维材料和衬底的接触步骤，转移膜上即为二维材料机械剥离出的新鲜界面，保证了二维材料和目标衬底之间界面的绝对洁净；其次，本发明利用独特设计的空气支撑装置实现转移膜的运载，通过在悬空的转移膜背面形成密闭空气腔，并对该空气腔施加压力，使悬空转移膜背面产生空气支撑，形成凸面结构，再将该凸面结构与目标衬底进行贴合，通过升温使转移膜从空气支撑装置的圆形通孔上方熔覆转移至目标衬底表面，有利于二维材料与目标衬底贴覆的精准控制，有利于实现二维材料的高质量转移，同时还摒弃了现有技术采用pdms层作为支撑层的技术手段，以空气和气压进行支撑，减少了污染物引入的可能性，有利于实现二维材料的精准、洁净转移；另外，空气支撑装置的独特结构使得在转移过程中可使用显微镜即时观察二维结构的位置，以便做出及时调整。

9、作为上述技术方案的进一步优选，所述空气支撑装置中，密封层包括两层胶带以及设置在两层胶带之间的聚二甲基硅氧烷片，密封层和转移膜之间形成空气腔，密封层中的聚二甲基硅氧烷片至少部分位于所述圆形通孔内部并向空气腔加压，使所述负载有二维材料的转移膜向外突出。在空气支撑装置的设置过程中，密封层的其中一侧胶带使空气支撑装置的圆形通孔内部形成封闭的空气腔，密封层的聚二甲基硅氧烷片被另一侧胶带部分压入圆形通孔内部，使空气腔压力上升，从而致使转移膜向外突出形成凸面，有利于二维材料与目标衬底贴覆的精准控制，有利于实现二维材料的高质量转移。

10、作为上述技术方案的进一步优选，所述聚二甲基硅氧烷片的厚度为1~2mm。

11、作为上述技术方案的进一步优选，步骤（1）中所述牺牲层由水溶性聚乙烯醇（pva）涂覆形成；所述转移膜由疏水性聚合物涂覆形成，所述疏水性聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）、聚碳酸酯（pc）、聚氯乙烯（pvc）、聚甲基乙撑碳酸酯（ppc）和松香中的至少一种。

12、作为上述技术方案的进一步优选，步骤（1）中采用旋涂工艺实现所述牺牲层和转移膜的涂覆，旋涂转速为3000~4000rpm，旋涂时间为30~60s。

13、作为上述技术方案的进一步优选，步骤（1）中所述牺牲层和转移膜涂覆完成后均进行烘烤处理，烘烤处理的温度为70~100℃，烘烤时间为5~10min。合适的烘烤工艺有利于聚合物成膜。

14、作为上述技术方案的进一步优选，步骤（2）中将所述二维材料位于复合衬底上的区域周边的转移膜和牺牲层划破时，划破区域为以二维材料为圆心、直径为5~7mm的圆形。

15、作为上述技术方案的进一步优选，所述空气支撑装置中圆形通孔的直径为2~3mm。通孔过大容易造成薄膜坍塌，过小则难以对准转移膜上的二维材料。

16、作为上述技术方案的进一步优选，所述衬底为硅片。

17、与现有技术相比，本发明的优点在于：

18、本发明利用独特结构的空气支撑装置以及独特的工艺设计保证了二维材料的高质量、精准转移，在转移过程中确保了二维材料界面内污染物的引入可能性尽可能低，有利于实现二维材料的洁净转移，同时还具有操作简单、便于观察和调整的优势。

技术特征：

1.一种二维材料精准转移的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的二维材料精准转移的方法，其特征在于，所述空气支撑装置中，密封层包括两层胶带以及设置在两层胶带之间的聚二甲基硅氧烷片，密封层和转移膜之间形成空气腔，密封层中的聚二甲基硅氧烷片至少部分位于所述圆形通孔内部并向空气腔加压，使所述负载有二维材料的转移膜向外突出。

3.根据权利要求2所述的二维材料精准转移的方法，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷片的厚度为1~2mm。

4.根据权利要求1所述的二维材料精准转移的方法，其特征在于，步骤（1）中所述牺牲层由水溶性聚乙烯醇涂覆形成；所述转移膜由疏水性聚合物涂覆形成，所述疏水性聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基乙撑碳酸酯和松香中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的二维材料精准转移的方法，其特征在于，步骤（1）中采用旋涂工艺实现所述牺牲层和转移膜的涂覆，旋涂转速为3000~4000rpm，旋涂时间为30~60s。

6.根据权利要求1所述的二维材料精准转移的方法，其特征在于，步骤（1）中所述牺牲层和转移膜涂覆完成后均进行烘烤处理，烘烤处理的温度为70~100℃，烘烤时间为5~10min。

7.根据权利要求1所述的二维材料精准转移的方法，其特征在于，步骤（2）中将所述二维材料位于复合衬底上的区域周边的转移膜和牺牲层划破时，划破区域为以二维材料为圆心、直径为5~7mm的圆形。

8.根据权利要求7所述的二维材料精准转移的方法，其特征在于，所述空气支撑装置中圆形通孔的直径为2~3mm。

技术总结本发明公开了一种二维材料精准转移的方法，包括以下步骤：（1）在衬底上依次涂覆牺牲层和转移膜；将二维材料机械剥离至转移膜上；（2）将二维材料区域转移膜和牺牲层划破，并注入去离子水溶解牺牲层；（3）将转移膜转移至复合结构支架上并形成空气支撑装置；（4）使转移膜和目标衬底贴合，升温使转移膜熔覆在目标衬底上，再使用有机溶剂去除转移膜。本发明利用独特结构的空气支撑装置以及独特的工艺设计可以将与衬底结合力强的二维材料进行干法转移，保证了二维材料的高质量、精准转移，在转移过程中确保了二维材料界面内污染物的引入可能性尽可能低，有利于实现二维材料的洁净转移，同时还具有操作简单、便于观察和调整的优势。技术研发人员：周新贵,闫星亨,杨雅萍受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11