二维材料的转移难题

二维材料如石墨烯、过渡金属卤化物（TMDs）等是近来材料科学研究的前沿。在众多制备方法中，化学气相沉积法（CVD）是目前二维材料最具前景的合成方法。然而，CVD生长的二维材料通常需要转移到其他基底上以作进一步的应用与表征。目前二维材料主流的转移方法可大致分为两大类：湿法转移与干法转移。湿法转移中，化学刻蚀法与鼓泡法可用于转移金属基底上的材料；而表面能辅助法则可应用于介电衬底（如云母或蓝宝石）上的材料。上述方法都必须用到聚合物支撑层（如PMMA）以保护转移过程中的二维材料。然而，使用的聚合物的使用不可避免将导致二维材料的污染，使其性能下降。为了解决这个问题，科研人员曾尝试用不同的支撑层来替代PMMA。即便二维材料的污染问题得到一定程度的改善，这些方法一般涉及复杂的工艺流程，且并没有从根本上解决聚合物和有机分子的污染问题。另一方面，以一个“弹性图章”作为支撑材料的干法转移由于其精准的定位能力及无液体涉及的转移过程是湿法转移的可选替代方法。然而，弹性图章与二维材料之间的结合力使得材料不能被完全释放，这往往导致转移过程中二维材料的破损。同时，在弹性图章中的有机分子或低分子量聚合物分子也将不可避免的导致转移材料的污染，特别是在涉及加热与按压的过程中。如何实现不同衬底间二维材料无污染的转移仍然是二维材料研究中的一大挑战。

二维材料的“冰转移”

有鉴于此，近日香港城市大学李淑惠教授团队联合香港理工大学赵炯教授以及淮阴师范学院的邓庆明教授团队（共同通讯作者）报道了一种用冰作为转移介质的二维材料转移方法。在该工作中，他们以冰的可控吸附作为基础，提出了冰法辅助转移（IAT）与冰法印章转移（IST），实现了不同衬底上不同二维材料的无污染转移。众所周知冰对固体表面具有很强的吸附能力，而这种吸附力受到环境温度以及固体表面亲疏水性的影响。而冰法转移的原理正是基于冰的吸附特性，通过调节冰的吸附力，用冰将二维材料从原衬底中剥离，再转移至其他的目标衬底。

图1. 二维材料的“冰法辅助转移”与“冰法印章转移”。

超高洁净与性能提升

与其他传统转移方法相比，冰法转移没有用到任何刻蚀液、聚合物甚至有机溶剂，有助于得到超洁净的二维材料。拉曼、荧光光谱与原子力显微镜（AFM） 等表征结果表明，与传统方法相比，用冰法转移的TMDs样品具有更加洁净、平整表面。洁净的表面有助于提升二维材料的电学与光学性能。作者通过导电AFM测试与FET微器件测试表明用冰法转移的MoS2样品比传统方法转移的样品具有更高的导电性与电迁移率。而紫外-可见光谱测试结果则表明冰法转移的样品具有更高的透光率。以上结果验证了冰法转移相对传统转移方法所具有的优势。

图2. 冰法转移与传统转移结果的对比。表明用冰法转移的样品具有更高的洁净度。

图3. 冰法转移与传统方法转移结果的对比。表明冰法转移的样品具有更优异的电学与光学性能。

二维材料的冰法清洁

除转移意外，作者还提出了基于冰的可控吸附的二维材料清洁方法。与冰法转移相比，清洁过程中所使用的的温度略高，冰的吸附力较弱，从而能在不破坏二维材料的前提下选择性地除去样品表面的污染物。跟其他清洁方法如高温退火与等离子清洁等相比，此种方法可以除去不同类别的目标污染物，并能有效避免极端条件对样品的损害。

图4. MoS₂的冰法清洁。a) 冰法清洁的示意图。b,c) 石墨烯清洁前与清洁后的大范围光镜图。

‍