物理所研究團隊發展出新的二維材料圖案化的方法

　　二維材料具有原子級厚度和較高的比表面積，所有原子處于表面，導致其表面對表面吸附和外界環境較為敏感。二維半導體材料在電子學與光電子學器件領域具有廣闊的應用前景，有望成為下一代小型化電子器件的核心材料。為實現此類應用，需要對材料進行剪裁。通過常規的微納加工技術，包括光刻和反應離子干法刻蝕或化學溶液濕法腐蝕，可對其進行加工剪裁。然而，在這些加工步驟中，二維材料需要接觸光刻膠、溶劑以及高能離子等，帶來樣品的表面污染及邊界鈍化等問題。在電子學器件工作過程中，污染物作為電子散射中心，降低了材料的導電性，從而影響器件性能的提升，這種現象對于二維材料電子器件尤為明顯。因此，實現大面積二維材料的無污染圖案化剪裁是亟待解決的科學問題。

　　近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室N07組博士生魏爭，在導師、研究員張廣宇的指導下，發展出一種全新的二維材料圖案化的方法。類似于傳統的雕刻技術，該方法利用在手套箱中搭建的電動位移系統，通過金屬鎢針尖在二維材料表面的機械刮擦實現直寫圖案化。該直寫圖案化方法具有大面積、快速和低成本等優勢，且無須掩膜版、化學溶劑或高能離子輔助，裁剪下多余的材料易于去除，得到的樣品表面與邊界十分潔凈。該方法適用于晶圓級尺寸二維材料的圖案化加工，其精度能夠達到約1微米，逼近紫外光刻精度。另外，圖案化加工系統位于手套箱惰性氣體氛圍中，為加工易氧化的樣品提供有利條件。研究人員進一步將該方法得到的二硫化鉬條帶作為溝道材料，結合轉移電極的方法，制備出無須曝光的高質量場效應晶體管器件，該器件具有較高的場效應遷移率和電流開關比，且電極與溝道材料之間的接觸電阻和肖特基勢壘高度可有效降低。

　　該直寫圖案化方法對于不同類型的二維和薄膜材料（包括石墨烯、二硫化鉬、氮化硼、金屬薄膜、氧化物薄膜和有機物薄膜等）具有普適性。直寫圖案化為制備高質量、超潔凈的電子學與光電子學器件提供了簡單、高效、低成本的新策略。相關研究成果發表在2D Materials上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、中科院前沿科學重點研究項目、國家重點研發計劃和中科院青年創新促進會的資助。

單層二硫化鉬的直寫圖案化。(a)直寫圖案化實驗裝置；(b)直寫過程示意圖；(c)圖案化的晶圓級單層二硫化鉬；(d)藍寶石襯底上各種圖案的單層二硫化鉬的光學顯微鏡圖像