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静电斥力辅助的范德华材料转移技术：高完整性、高清洁度的大规模集成解决方案

第一作者及机构
本研究的通讯作者为麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的Xudong Zheng、Jiangtao Wang和Jing Kong，合作单位包括台湾中央研究院原子与分子科学研究所（Academia Sinica）、新加坡国立大学材料科学与工程系等。该研究于2025年9月25日发表于《Nature》第645卷。

研究背景
范德华（van der Waals, vdW）材料因其原子级薄层特性，在下一代互补金属氧化物半导体（CMOS）技术中展现出巨大潜力，可用于高密度晶体管和高效能计算的三维（3D）集成。然而，高质量vdW材料的合成通常需要高温或特殊衬底条件，因此亟需一种既能满足高完整性、高清洁度、快速、低成本、大尺寸和通用性等工业需求，又能避免传统转移方法缺陷的新型转移技术。

传统的转移方法主要依赖化学刻蚀或无刻蚀机制，但通常仅能优化其中一两个关键指标，例如：
- 化学刻蚀法会引入金属离子污染或聚合物残留；
- 电化学气泡法受限于导电衬底，且易产生机械损伤；
- 干法剥离适用范围窄，且可能因界面吸附物导致污染。

因此，本研究的目标是开发一种基于静电双电层（electric double layer, EDL）斥力的新型转移技术，实现无刻蚀、高成品率、快速、晶圆级、低成本且广泛适用的vdW材料转移。

研究方法与技术流程
本研究提出了一种基于EDL斥力的湿法-干法混合转移技术（EDL transfer），其核心流程包括以下步骤：

1. EDL辅助剥离

   • 实验对象：多种vdW材料（如MoS₂、WSe₂、碳纳米管（CNT）、石墨烯、六方氮化硼（hBN））及其生长衬底（如SiO₂、蓝宝石、SrTiO₃、铜箔等）。
     
   • 关键步骤：将带有支撑层（如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA））的vdW材料浸入32%氨水（pH≈12）中，通过EDL斥力实现材料与衬底的快速分离（秒完成1 cm²样品的剥离）。
     
   • 机制分析：通过Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）理论计算，证明氨水中vdW材料与衬底表面均带负电，形成高浓度反离子层，产生熵驱动的渗透压斥力（Fedl），克服范德华吸引力（Fvdw）。
     

2. 干法附着与多层堆叠

   • 支撑层选择：采用热释放胶带（TRT）+ PMMA或聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为支撑层，实现vdW材料的精确定位和可控堆叠。
     
   • 清洁性验证：通过原子力显微镜（AFM）和扫描透射电子显微镜（STEM）证实，EDL转移后的材料表面无褶皱、裂纹或聚合物残留。
     

3. 衬底重复利用

   • 实验验证：蓝宝石衬底经EDL转移后，其表面原子台阶未受损，可重复用于外延生长MoS₂，且晶体取向保持一致。
     

主要研究结果
1. 高完整性转移
- 光学与形貌表征：EDL转移的MoS₂薄膜在厘米尺度保持完整，褶皱面积占比仅为0.06%，而传统KOH转移样品则达2.33%。
- 电学性能：制备的MoS₂场效应晶体管（FET）在300个器件中实现100%成品率，亚阈值摆幅（SS）低至65.9 mV/dec，滞后（hysteresis）仅7 mV，接近理论极限。

1. 超高性能器件

   • 高导通电流：结合铋（Bi）接触的短沟道器件（Lch=22 nm）在1 V偏压下导通电流达1.3 mA/μm，为目前报道的最高值。
     
   • 界面清洁度：通过电容-电压（C-V）测试测得界面态密度（Dit）低至2.9×10¹¹ cm⁻²eV⁻¹，证实EDL转移可实现原子级清洁界面。
     

2. 广泛适用性

   • 材料与衬底兼容性：成功应用于石墨烯/铜、hBN/蓝宝石、CNT/石英等多种体系，验证了方法的普适性。
     

研究意义与价值
1. 科学价值
- 首次将EDL斥力机制引入vdW材料转移领域，为二维材料的界面相互作用提供了新见解。
- 揭示了氨水中高负ζ电位（zeta potential）对剥离效率的关键作用，拓展了胶体科学在半导体工艺中的应用。

1. 工业应用价值
   
   • 提供了一种与CMOS工艺兼容的解决方案（氨水已用于标准清洗工艺SC-1），可直接集成至现有生产线。
     
   • 通过衬底重复利用和低污染特性，大幅降低了制造成本，推动vdW材料在3D集成中的实际应用。
     

研究亮点
1. 创新性方法：将湿法剥离的快速性与干法附着的精确性结合，解决了传统方法无法兼顾高清洁度与高成品率的难题。
2. 性能突破：实现了近乎理想的晶体管性能（SS≈65.9 mV/dec），为二维电子器件的性能极限提供了新基准。
3. 可持续发展：生长衬底可重复使用，减少资源浪费，符合绿色制造趋势。

其他发现
- 通过拉曼光谱证实，EDL转移的CNT无缺陷峰（D峰），而KOH转移样品则出现明显缺陷信号，进一步验证了方法的低损伤特性。
- 对PMMA残留机制的研究表明，氨水环境避免了传统刻蚀剂对PMMA的化学降解，从而显著降低残留污染。

（注：本报告基于原文内容整理，具体实验参数及数据可参考原文图表及补充材料。）