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物理所等在超高真空機械剝離和堆垛技術(shù)研究中取得進展

2022-06-20 18:32:39來源：中科院物理研究所 閱讀量：116 評論

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導(dǎo)讀：機械剝離法一經(jīng)成功發(fā)現(xiàn)，就引起了二維材料的研究熱潮，人們不斷使用該方法制備除了石墨烯以外的其他二維材料，該方法所制備的二維材料具有缺陷少，表面平整，遷移率高等諸多優(yōu)勢。據(jù)不完全統(tǒng)計，二維層狀材料的種類可高達500余種。

　　近年來，二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)在電子、光電及自旋器件領(lǐng)域頗具應(yīng)用潛力而得到廣泛關(guān)注。然而，制備表面高度潔凈的二維材料以及界面原子級平整干凈的二維異質(zhì)結(jié)較為困難，尤其對于表面敏感的二維材料而言更是如此。制備二維材料的方法主要分為兩類，以分子束外延(MBE)和化學(xué)氣相沉積為代表的“自下而上”法和以機械剝離為代表的“自上而下”法。
 
　　機械剝離法一經(jīng)成功發(fā)現(xiàn)，就引起了二維材料的研究熱潮，人們不斷使用該方法制備除了石墨烯以外的其他二維材料，該方法所制備的二維材料具有缺陷少，表面平整，遷移率高等諸多優(yōu)勢。據(jù)不完全統(tǒng)計，二維層狀材料的種類可高達500余種。
 
　　而“自下而上”法受到生長動力學(xué)的制約，僅能在特定襯底上制備特定的二維材料，且制備出的二維材料通常具有確定的取向，限制了可獲得的二維異質(zhì)結(jié)的種類。相比于“自下而上”的材料合成策略，以機械剝離為代表的“自上而下”方法具有操作簡單、靈活性強的特點，對于范德瓦爾斯材料而言可容易地制備傳統(tǒng)生長方法難以實現(xiàn)的少層樣品和轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)。
 
　　然而，傳統(tǒng)的機械剝離方法是在大氣或手套箱中進行，存在問題：一是環(huán)境的污染將引入大量的雜質(zhì)或缺陷。即使對于穩(wěn)定的二維材料(如石墨烯)，這種方法制備的樣品，如未經(jīng)退火處理，傳入真空后，由于表面吸附了大量的雜質(zhì)，難以利用ARPES、STM等表面敏感的技術(shù)進行測量，而高溫退火可能引入更多的雜質(zhì)或缺陷。二是很多單晶表面在空氣中甚至低真空環(huán)境下不能穩(wěn)定存在，如Si(111)-7×7、Cu(111)、Fe(100)等，這些材料的表面必然會被氧化并吸附大量的雜質(zhì)。因此，傳統(tǒng)的機械剝離方法無法制備二維材料與這類襯底構(gòu)筑的異質(zhì)界面。
 
　　近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心SF9組特聘研究員馮寶杰/研究員陳嵐/研究員吳克輝、SC7組研究員周興江，與北京理工大學(xué)教授黃元合作，指導(dǎo)博士研究生孫振宇、韓旭等，自主設(shè)計并搭建了一套超高真空環(huán)境下的二維材料機械剝離-堆垛系統(tǒng)。研究將機械剝離技術(shù)與超高真空MBE技術(shù)結(jié)合到一起，在本底真空10-10 mbar量級的環(huán)境中，利用MBE技術(shù)制備了多種原子級平整、潔凈的表面，并利用機械剝離技術(shù)在這些襯底上剝離了多種單層和少層二維材料。
 
　　設(shè)備的工作原理圖如1所示，所有操作均在超高真空中完成。研究利用高溫退火、離子濺射、等離子體刻蝕、MBE生長等多種表面處理技術(shù)獲得原子級平整、潔凈的表面。表面的質(zhì)量可通過原位的掃描隧道顯微鏡、低能電子衍射、角分辨光電子能譜等超高真空表面分析手段進行確認。研究在超高真空中將二維材料進行解理，獲得新鮮的表面，并輕壓到襯底表面上。最后，研究將系統(tǒng)加熱并分離，獲得了多種單層和少層二維材料。利用該方法，研究不僅重復(fù)了大氣下的金輔助剝離技術(shù)，而且獲得了多種以前未報道過的二維異質(zhì)結(jié)，包括Bi-2212/Al2O3、Bi-2212/Si(111)、MoS2/Si(111)、MoS2/Fe、MoS2/Cr以及FeSe/SrTiO3(任意角度)等。
 
　　為進一步展示該系統(tǒng)的能力，科研人員選擇兩個體系作為示例。一是研究利用金輔助剝離技術(shù)，在超高真空中制備出毫米級的單層黑磷樣品，并利用原位的低能電子衍射、角分辨光電子能譜對樣品進行表征，觀察到清晰的衍射斑點和沿高對稱方向的空穴型能帶(圖3)，這是目前國際上首次對單層黑磷進行的相關(guān)測量。二是研究為了揭示不同金屬襯底對二維材料物性的影響，探究單層MoS2和WSe2在不同金屬表面的光學(xué)性質(zhì)(圖4)。研究通過測量不同金屬上單層WSe2的熒光光譜發(fā)現(xiàn)，除了Au襯底以外，剩下的Ag、Fe、Cr等表面均不淬滅WSe2的特征A激子發(fā)射，且峰位略有偏移。研究通過拉曼光譜發(fā)現(xiàn)，在Au和Ag表面上的MoS2，其特征拉曼峰E2g和A1g除頻率移動外，展現(xiàn)出了奇特的劈裂行為。
 
　　本工作為進一步制備高質(zhì)量的二維材料及異質(zhì)結(jié)樣品、探索材料的本征物性以及界面演生現(xiàn)象提供了全新的方法。相關(guān)研究成果以Exfoliation of 2D van der Waals crystals in ultrahigh vacuum for interface engineering為題，發(fā)表在Science Bulletin上(doi.org/10.1016/j.scib.2022.05.017)。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、科技部、北京市自然科學(xué)基金、中科院國際合作項目及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)等的支持。
 


圖1.超高真空中機械剝離二維材料
 


圖2.在單晶襯底上獲得的超薄二維材料
 


圖3.大面積單層黑磷的真空原位LEED和ARPES表征
 


圖4.不同金屬表面單層WSe2和MoS2的光學(xué)響應(yīng)

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