本發(fā)明涉及定位轉(zhuǎn)移技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種轉(zhuǎn)移制備二維原子晶體疊層結(jié)構(gòu)的方法。

背景技術(shù)：

新型的二維原子晶體包括石墨烯，氮化硼，黑磷和二維過渡金屬硫族化合物，如：二硫化鉬、二硒化鉬、二碲化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢和二碲化鎢等，它們具有獨特的力、熱、電、光的性質(zhì)備受研究者的關(guān)注，隨之人們也開展基于新型二維原子級疊層結(jié)構(gòu)的系列研究，其中制備超薄二維原子晶體疊層結(jié)構(gòu)在光電材料和器件的應(yīng)用領(lǐng)域已成為一個研究熱點，如高電子遷移率隧道場效應(yīng)晶體管，開關(guān)器件，疊層結(jié)構(gòu)雙極性晶體管，太陽能電池等方面的研究頗有優(yōu)勢。

目前，制備二維原子晶體疊層結(jié)構(gòu)的方法主要有以下兩種，分別是cvd外延沉積生長法和垂直方向手動堆垛法。如果采用cvd外延沉積生長法制備的二維原子晶體疊層結(jié)構(gòu)，就需要考慮不同材料間的晶格匹配問題，而且生長條件難以調(diào)控，制備困難，不利于實際應(yīng)用；所以大多數(shù)研究者們選擇了手動堆垛的方法來制備不同二維原子晶體的疊層結(jié)構(gòu)。利用手動堆疊單層二維原子晶體制備的超薄疊層結(jié)構(gòu)相對于外延生長法制備的疊層結(jié)構(gòu)的一個極大優(yōu)勢是不同材料組合的靈活性高，可以將所有的二維原子晶體隨意組合制備成疊層結(jié)構(gòu)，不需要考慮晶格是否匹配的影響，而且還可以制備不同角度堆垛的原子晶體疊層結(jié)構(gòu)，所以利用手動堆垛法制備疊層結(jié)構(gòu)具有操作簡單，靈活性高，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。

手動堆垛制備疊層結(jié)構(gòu)的一個核心技術(shù)是定位轉(zhuǎn)移。目前利用定位轉(zhuǎn)移制備疊層結(jié)構(gòu)的方法主要有：

（1）利用機械剝離的方法將塊材剝離少層二維原子晶體轉(zhuǎn)移至襯底，再重復(fù)剝離新的少層的二維原子晶體，利用手動定位堆疊方法制備二維原子晶體疊層結(jié)構(gòu)，通過泡丙酮溶液去除殘留的膠。在此方法中，使用機械剝離的方法制備二維原子晶體疊層結(jié)構(gòu)的好處是膠殘留少，殘膠處理相對容易，但是存在的缺點是：制備單層的二維原子晶體樣品非常困難，剝離的樣品容易破碎，樣品的面積小，對技術(shù)熟練度要求高，而且制備疊層結(jié)構(gòu)樣品的成功率低，重復(fù)率低，制備過程的時間長，不利于實際應(yīng)用。

（2）在二維原子晶體表面旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）薄膜，通過使用特殊的腐蝕液（強堿，強酸）刻蝕襯底，然后利用微操作探針調(diào)整單層二維原子晶體與目標(biāo)襯底重合，再通過浸泡丙酮溶液去除殘膠，從而制成所需的疊層結(jié)構(gòu)。此方法利用pmma轉(zhuǎn)移二維原子晶體，需要刻蝕襯底，這種方法的缺點是腐蝕襯底的時間長，刻蝕過程會產(chǎn)生氣泡，而且腐蝕離子對單層的原子晶體材料摻雜，甚至?xí)茐慕Y(jié)構(gòu)，降低材料本身的性能。此外，利用丙酮很難去除干凈pmma膠，會殘留很多有機物顆粒，影響器件的特性；另外，采用探針微區(qū)操作的方式進行樣品定位，堆疊的控制性差，且難以精確對準(zhǔn)樣品制備超薄二維原子晶體疊層結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供一種轉(zhuǎn)移制備二維原子晶體疊層結(jié)構(gòu)的方法。

本發(fā)明提供一種操作簡單，快速，成功率高，無損且殘膠極少的轉(zhuǎn)移制備二維原子晶體疊層結(jié)構(gòu)的方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：

一種轉(zhuǎn)移制備二維原子晶體疊層結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：

s1.在襯底支撐的二維原子晶體表面旋涂一層強疏水的高分子薄膜，利用水的張力分離二維原子晶體薄膜；

s2.將二維原子晶體高分子薄膜轉(zhuǎn)移至二甲基硅氧烷聚合物上；

s3.將二維原子晶體復(fù)合體以范德華力貼合在目標(biāo)材料上，通過加熱方法分離二甲基硅氧烷聚合物；

s4.通過浸泡甲苯溶劑分解高分子或者真空退火去除高分子薄膜。

二維原子晶體和襯底分離的關(guān)鍵在于：旋涂強疏水高分子薄膜，利用疏水相互排斥原理，在水的張力作用下，將二維原子晶體薄膜與襯底分離，水的作用力相對于膠帶機械剝離的作用力小，受力均勻，重復(fù)性高，而且分離的二維原子晶體薄膜不被破壞，完整性好。

選用聚苯乙烯和二甲基硅氧烷聚合物這兩種材料的關(guān)鍵之一在于：二甲基硅氧烷也是一種強疏水的膠體，與聚苯乙烯薄膜的粘附性很好，兩者在水張力的作用下貼合平整，兩者的透光性好，在光學(xué)顯微鏡下可以很清晰的觀察定位轉(zhuǎn)移的二維原子晶體材料。

選用聚苯乙烯和二甲基硅氧烷聚合物這兩種材料的關(guān)鍵之二在于：在常溫下，聚苯乙烯和二甲基硅氧烷聚合物的粘附性非常好，即使施加大壓力作用也很難分離，而本方法利用了聚苯乙烯和二甲基硅氧烷聚合物的熱膨脹系數(shù)不同（聚苯乙烯和二甲基硅氧烷聚合物的熱膨脹系數(shù)分別為：80×10^–6/℃，325×10^–6/℃），通過加熱即可分離二甲基硅氧烷聚合物。

本發(fā)明上述方法也適用于二維氧化物納米片，即可以將上述制備方法中的二維原子晶體材料替換為二維氧化物納米片，后者將上述制備方法中的目標(biāo)材料替換為二維氧化物納米片，或者將上述制備方法中的二維原子晶體材料和目標(biāo)材料同時替換為二維氧化物納米片。

因此，優(yōu)選地，上述方法中，可以將二維原子晶體材料和/或目標(biāo)材料替換為二維氧化物納米片。

優(yōu)選地，所述二維原子晶體材料和目標(biāo)材料可以分別選自石墨烯、二硫化鉬、二硒化鉬、二碲化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢、二碲化鎢、氮化硼、黑磷中的任意一種；所述二維氧化物納米帶可以選自三氧化鉬、五氧化二釩、二氧化鎢、氧化銅、氧化鎳、氧化錸，氧化釕中的任意一種。

優(yōu)選地，所述二維原子晶體材料和/或二維氧化物納米片可以是單層或者兩層，或者多層，所述二維原子晶體和/或二維氧化物納米片的厚度為1nm～100nm。

優(yōu)選地，s1所述襯底選自藍(lán)寶石、硅片、二氧化硅/硅片、石英片。

優(yōu)選地，s3所述目標(biāo)材料是平鋪襯底上的二維材料，或者是懸空的孔，或者是特定圖案，或者是電極。

優(yōu)選地，s3所述加熱溫度為100℃（100℃即可將聚苯乙烯和二甲基硅氧烷聚合物進行分離）。

優(yōu)選地，s4是通過浸泡甲苯或者真空退火的方式去除高分子薄膜。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供了一種轉(zhuǎn)移制備二維原子晶體疊層結(jié)構(gòu)的方法，是涉及基于襯底二維原子晶體薄膜的剝離和定位轉(zhuǎn)移方法，具體包括：基于襯底制備的二維原子晶體薄膜表面旋涂聚苯乙烯薄膜，利用水的張力將二維原子晶體與襯底分離并轉(zhuǎn)移至二甲基硅氧烷聚合物上，將二維原子晶體/聚苯乙烯/二甲基硅氧烷復(fù)合體以范德華力貼合在目標(biāo)材料上，通過加熱方式分離二甲基硅氧烷聚合物，使用浸泡甲苯溶劑或者真空退火去除聚苯乙烯，即制得二維原子晶體疊層結(jié)構(gòu)。該方法操作簡單，快速，成功率高，可廣泛應(yīng)用于大面積超薄材料光電傳感器領(lǐng)域。除此之外，本發(fā)明所述方法還具有以下優(yōu)點：

（1）本發(fā)明利用疏水相互排斥原理，旋涂強疏水聚苯乙烯薄膜在二維原子晶體表面，可以快速地將其與襯底分離，不需要刻蝕溶液腐蝕襯底，因此減少對樣品的摻雜和破壞。同時，聚苯乙烯薄膜極易溶于甲苯溶劑，殘膠處理容易。

（2）本發(fā)明采用高彈性體二甲基硅氧烷聚合物，在定位轉(zhuǎn)移過程中，其與樣品接觸受力均勻，而且在一定的溫度下，二甲基硅氧烷聚合物與聚苯乙烯薄膜容易分離，避免了長時間擠壓而使樣品撕裂或者產(chǎn)生褶皺。

（3）本發(fā)明采用加熱的方法分離聚苯乙烯和二甲基硅氧烷聚合物，避免了制備疊層二維原子晶體過程中，由于受到外界應(yīng)力而改變材料的物理特性。此外，加熱處理溫度為100℃，不會對樣品造成破壞，而且聚苯乙烯和二甲基硅氧烷聚合物的分離重復(fù)率高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明介紹的定位轉(zhuǎn)移制備疊層結(jié)構(gòu)方法的工藝流程圖。其中1代表聚苯乙烯（ps）薄膜，2代表二維原子晶體，3代表襯底（藍(lán)寶石、二氧化硅/硅片襯底、石英襯底等），4代表二甲基硅氧烷（pdms）聚合物，5代表透明載玻片，6代表目標(biāo)材料，7代表目標(biāo)材料的襯底。

圖2是本發(fā)明的定位轉(zhuǎn)移制備疊層結(jié)構(gòu)的微操作臺和顯微鏡結(jié)構(gòu)的大體示意圖。

圖3是實施例1中，ws2/mos2異質(zhì)結(jié)光學(xué)表征圖；圖3(a)是ws2/mos2異質(zhì)結(jié)的光學(xué)照片；圖3(b)和3(c)分別是單層cvd生長的ws2，mos2，ws2/mos2異質(zhì)結(jié)的光致發(fā)光（pl）光譜和拉曼（raman）光譜；圖3(d)是對應(yīng)圖3(a)ws2/mos2異質(zhì)結(jié)的拉曼峰384cm^–1和420cm^–1的峰面積成像圖。

圖4是實施例2中，二硫化鎢同質(zhì)結(jié)光學(xué)表征圖；圖4(a)是兩層二硫化鎢同質(zhì)結(jié)的光學(xué)照片；圖4(b)和4(c)分別是單層二硫化鎢和兩層二硫化鎢同質(zhì)結(jié)的光致發(fā)光（pl）光譜和拉曼（raman）光譜；圖4(d)是對應(yīng)圖4(a)同質(zhì)結(jié)拉曼峰420cm^-1的峰面積成像圖。

圖5是實施例3中，ws2/moo3異質(zhì)結(jié)的形貌表征圖；圖5(a)是ws2/moo3異質(zhì)結(jié)的光學(xué)照片，方框表示原子力顯微鏡掃描的范圍；圖5(b)是ws2/moo3異質(zhì)結(jié)的原子力顯微鏡圖，箭頭表示測量高度的范圍；圖5(c)是沿白色線的高度圖。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖和具體實施例進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，但不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。在不背離本發(fā)明精神和實質(zhì)的情況下，對本發(fā)明方法、步驟或條件所作的簡單修改或替換，均屬于本發(fā)明的范圍；若未特別指明，實施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段。

實施例1

定位轉(zhuǎn)移技術(shù)適用于制備cvd生長的二維納米材料的疊層結(jié)構(gòu)（同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)），以將生長在藍(lán)寶石襯底的二硫化鎢（ws2/sapphire）定位轉(zhuǎn)移至二氧化硅襯底的二硫化鉬（mos2/sio2），從而制得二維原子晶體異質(zhì)結(jié)為例，具體包括以下步驟：

（1）以甲苯為溶劑，制備聚苯乙烯（ps）溶液，通過加熱磁力攪拌將ps溶解。

（2）制備二甲基硅氧烷（pdms），主劑（a膠）與硬化劑（b膠）混合，通過離心去除混合膠體中氣泡，倒至容器靜止，控制厚度約1毫米，烘烤固化；

（3）涂膠，在ws2/sapphire表面旋涂ps溶液并加熱30分鐘，烘干甲苯溶劑；

（5）采用鑷子將ps/ws2/sapphire襯底四周與襯底剝離，通過水的張力與襯底分離；

（6）將pdms水平覆蓋在ps/ws2薄膜上，待貼合后，將樣品慢速脫離液面，再將pdms/ps/ws2樣品粘貼在干凈的載玻片表面；

（8）為使后續(xù)轉(zhuǎn)移過程中樣品的受力均勻且減少所受的作用力，將多余的pdms裁掉，控制樣品尺寸約2mm×2mm；

（9）將目標(biāo)材料mos2/sio2固定在加熱板上，將覆蓋有pdms/ps/ws2樣品的載玻片固定在微操作臺上，微調(diào)操作臺使之與目標(biāo)材料單層mos2重合，再慢速貼合目標(biāo)材料；

（13）將樣品加熱至100℃，恒溫加熱約10秒，調(diào)整微操作臺z方向逐漸離開樣品，直至與pdms完全分離；

（14）ps/ws2/mos2樣品繼續(xù)加熱半個小時，經(jīng)自然冷卻后，通過浸泡甲苯溶液，或者真空高溫退火的方式分解ps薄膜。

實施例2

實驗方法同實施例1，將單層mos2替換為單層ws2，定位轉(zhuǎn)移制備得兩層ws2同質(zhì)結(jié)。

實施例3

實驗方法同實施例1，唯一不同的是將單層二硫化鉬替換為三氧化鉬納米片，定位轉(zhuǎn)移制備的ws2/moo3異質(zhì)結(jié)。

實施例4

實驗方法同實施例1，唯一不同的是將ws2和mos2替換為二維原子晶體石墨烯、二硒化鉬、二碲化鉬、二硒化鎢、二碲化鎢、氮化硼、黑磷中任意兩種自由組合，或者二維氧化物納米片中的三氧化鉬、五氧化二釩、二氧化鎢、氧化銅、氧化鎳、氧化錸，氧化釕中的任意兩種自由組合，又或者二維原子晶體材料中的任意一種和二維氧化物納米片的任意一種的自由組合。

實施例5

實驗方法同實施例1，唯一不同的是二維原子晶體選自石墨烯、二硫化鉬、二硒化鉬、二碲化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢、二碲化鎢、氮化硼、黑磷中任意一種或者二維氧化物納米片中三氧化鉬、五氧化二釩、二氧化鎢、氧化銅、氧化鎳、氧化錸，氧化釕中任意一種定位轉(zhuǎn)移至懸空襯底上，或者特定圖案，又或者電極上。