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摘 要

本文首先对二维材料以及范德瓦尔斯异质结的研究背景、二维材料的特性、转移方法的缺陷进行了介绍。近年来，二维材料受到广泛关注，然而传统二维材料转移方法存在诸多问题，如转移精度、存在气泡、依赖聚合物层、残留物污染等。本课题基于奥林巴斯BX53光学显微镜的高精度范德瓦尔斯异质结转移平台。本文包含较为完备的设计方案、设计图纸及二维材料转移过程说明。本系统的设计对改善转移后材料及结构的性能具有积极的促进作用。

关键词：二维材料；范德瓦尔斯异质结；转移平台；高精度。

Abstract

Firstly, the research background of two-dimensional materials and Van der Waals heterojunctions, the characteristics of two-dimensional materials and the defects of transfer methods are introduced. In recent years, two-dimensional materials have attracted wide attention. However, there are many problems in traditional two-dimensional materials transfer methods, such as transfer accuracy, bubbles, polymer layer dependence, residue contamination and so on. This project is based on the high-precision Van der Waals heterojunction transfer platform of Olympus BX53 optical microscope. This paper contains a more complete design plan, design drawings and two-dimensional material transfer process description. The design of the system plays an active role in improving the performance of transfer materials and structures.

Key words: two-dimensional materials；van der Waals heterojunctions；transfer platform；High precision

目录

摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1 二维层状材料及范德瓦尔斯异质结研究背景 1

1.2 二维材料特性 3

1.3 二维材料转移技术 4

第二章 转移平台各部件介绍 7

2.1 奥林巴斯BX53光学显微镜 7

2.2 电子控温仪 12

2.3 三维平移台 14

2.4 12V兆信电源 15

2.5 PT100热电偶 17

第三章 异质结转移平台及其搭建 19

3.1.异质结转移平台的设计 19

3.2 二维材料转移过程 20

参考文献 21

致谢 23

第一章 绪论

1.1 二维层状材料及范德瓦尔斯异质结研究背景

随着电子信息技术日益成熟，传统半导体材料不能满足未来信息技术在高速、集成、超低功耗等方面的需求，新材料及工艺的研究及开发问题亟待解决。自2004年石墨烯在实验上被成功制备出之后[1-5]，关于各种二维层状材料（如：MoS₂、WS₂、MoSe₂、BN、黒磷等）的研究被广泛地关注[6,7]。这些材料有着可剥离的层状晶格结构，层间靠范德华力结合，其层间异质结不存在传统半导体界面晶格失配问题。此外，二维层状材料还具有高迁移率、带隙可调、兼容半导体工艺等优势。

例如石墨烯属于半金属材料，具有零带隙，超高电子迁移率（高达10⁵cm²V^-1s^-1）, 并可在外加电场下调控其费米能级的位置；2H相的MoS₂则表现出半导体性质，它具有非零的直接带隙（1.8 eV），在制备超低静态功耗、高开关比的场效应晶体管方面具有广泛的应用；此外，二维NbSe₂具有超导电性等。

当沿着垂直二维材料层方向把两种及以上二维层状材料组和构建范德瓦尔斯异质结时，又会表现出诸多新的性质。因范德瓦尔斯异质结内层间作用力为范德华力，不存在界面失配问题，因而范德瓦尔斯异质结的种类也非常多。目前，在技术上已经可以控制至原子级，所以，利用范德瓦尔斯异质结构建原子尺度的元器件也变得非常容易。

目前，已发表了许多有关范德瓦尔斯异质结的报道。

2010年Hone组等人报道了一种湿法转移技术：通过高聚物将石墨烯转移到薄层氮化硼上 [8-10]。由于氮化硼属于二维晶体，其平整度比二氧化硅衬底高出许多，因此将石墨烯转移到氮化硼上的迁移率有近2个数量级的提高。紧接着，该研究组又进一步将干法拾取转移技术研发了出来[11]，两片纳米层氮化硼之间封装进石墨烯，这样石墨烯的迁移率达到了声子散射的理论极限，由样品的尺寸这一唯一条件决定样品的平均自由程。由于这些转移技术的发展，使得范德瓦尔斯异质结被成功制备出来。

除了石墨烯-氮化硼异质结，清华大学还研究出了一维碳纳米管和二维MoS2组成的异质结[12,13]，即采用交叉结构来构建SWCNT-MOS₂-SWCNT垂直点异质结（VPH），其中一块二维MOS₂夹有两个交叉堆叠的碳纳米管。重叠区域由碳纳米管的直径定义，其范围为1^-2nm。传统的微加工技术很难实现这种特征尺寸。

实验结果表明，在室温下，场效应晶体管（FET）的开关比在10^-5到10^-6之间，通过VPH的电流密度可达10^-7A cm^-2。此外，扫描光电流显微镜（SPCM）图像显示，VPH可作为光探测器绘制聚焦激光束（~1 μm）[20]，显示其空间分辨率的能力。新型的VPH通过自下而上的方法方便地缩小垂直的二维器件，并且原理性器件的证明表明了为未来的纳米电子学和纳米光电子学制造一维-二维混合结构的可能性。

这在纳米电子学和纳米光电子学中显示出了优越性，这种VPH不仅可以方便有效地将二维材料基器件的平面尺寸通过两个交叉堆叠的碳纳米管缩小为纳米尺度，而且还可以使二维材料基器件的平面尺寸发生交叉。结构更适用于引入二维纳米材料。由于VPH在室温下具有较高的通断比和高的通流密度，因此可以作为高性能FET使用。此外，由于VPH设备可以绘制聚焦激光束的高斯分布，因此它在光探测方面具有潜力。它可以进一步用于评估激光光刻、共焦显微镜和激光加工的聚焦激光束的质量。

另外，当不同晶体叠加在一起时，协同效应变得非常重要。在一阶近似中，电荷重分布可能发生在叠层中相邻（甚至更远）晶体之间。邻近的晶体也会引起彼此的结构变化，而且这种变化可以通过调整单个元素之间的相对方向来控制。

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