学术前沿丨朱嘉教授课题组在微纳热学传输研究取得新进展:开发新型二维材料转移方法

发布者:袁敏敏发布时间:2019-05-09

我院朱嘉教授课题组在微纳材料热学传输领域取得新进展,研究开发了一种新型的乙醇辅助二维材料转移方法,该工作以《Ethanol Assisted Transfer for Clean Assembly of 2D Building Blocks and Suspended Structures》为题发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201902427)。

二维材料由于优异的光学、电学、机械性能受到广泛关注,同样其也展现出独特的热学性能,二维材料微纳热学传输的研究不仅推进了声子传输基础科学的发展,而且对于未来电子器件、能量存储等领域的应用有着重要意义。除此之外,将不同二维材料堆叠起来将会产生更多新奇的结构以及物理特性。二维材料的转移测试以及堆叠过程,难点是在二维材料和衬底脱离的同时不损坏样品本身以及尽量不引入沾污。传统的二维材料转移方法如聚合物(PMMA)辅助的湿法转移、PDMS辅助的干法转移,都不可避免的存在聚合物残留影响材料性能的问题,尤其是对于用于微纳热学传输测试的悬空热桥器件的转移,还容易造成对精密测试仪器的损坏。针对于此,朱嘉教授课题组提出了一种新型的乙醇辅助的二维材料转移方法,可以成功实现二维材料范德华异质结的构造,以及悬空热桥器件的转移。这种洁净的二维材料转移方法为二维材料的堆叠和测试提供了新的思路和方法,对二维材料微纳热学传输基础科学研究以及未来应用有着重要意义。

研究团队根据分子动力学和密度泛函理论模拟计算乙醇的作用:乙醇能够自发插层进入二维材料样品和衬底之间,从而弱化二维材料和衬底间的结合力。液相AFM的测试结果也表明加入乙醇后,样品的厚度显著增加,说明乙醇能够插层进入到二维材料和衬底之间。

正是由于乙醇的插层以及对于二维材料和衬底间结合力的削弱,这种乙醇辅助的方法能够成功转移样品。如图1所示,在衬底上制备出二维材料薄层样品,并且滴加乙醇,随后乙醇自发插层进入二维材料和衬底之间,通过操作钨针,就可以将二维材料样品挑起。钨针带着样品精确定位到目标位置,最后乙醇挥发就可以完成整个转移过程。

1.a)机械剥离法在衬底上制备出二维材料样品(b)在体系中加入乙醇,乙醇自发插层进入二维材料和衬底之间,并使用钨针挑起样品(c)将样品定位转移到目标位置(d)乙醇挥发后整个转移过程完成


由于整个转移过程只添加乙醇溶液,因此这种方法完全避免了聚合物的污染,成功实现洁净转移。不仅如此,通过这种转移方法,可以实现范德华异质结的转移,可以随意构造人工结构,更重要的是,可以成功实现二维材料到悬空器件的转移,如图2所示。

2.a)(b)机械剥离法在衬底上分别制备出二硫化钼和二硒化钨样品(c)在乙醇中将二硫化钼样品转移到二硒化钨样品上方(d)新的异质结构造完成(e)衬底上制备出钛酸锶样品(f)乙醇辅助的转移方法构造出“NJU”的人工结构(g)钛酸锶样品成功转移到悬空器件上


这种转移方法成功应用到微纳热学传输性质测试,研究团队将5层二硫化钼样品转移到悬空热桥器件上,测试结果表明二硫化钼样品室温热导率达到52 W/mK,高于其他转移方法测试的数据。这种乙醇辅助的转移方法是完全洁净的,避免聚合物残留降低材料性能,保持了样品的晶体质量,推进了声子热学传输科学的研究。

总结来说,这种乙醇辅助的洁净的二维材料转移方法成功实现了二维堆叠的构造,尤其是在悬空器件上的转移,这为二维材料本征性能测试尤其是微纳热学传输,以及新型范德华异质结的基础科学研究提供了强有力的工具,对于二维材料科学领域的研究有着重要意义。

朱嘉教授课题组17级硕士研究生杨鑫以及博士毕业生李秀强为文章共同第一作者,现工院陆海鸣副教授和朱嘉教授为论文的通讯作者,该工作得到了南京大学聂越峰教授、南京工业大学李海教授以及加州伯克利大学吴军桥教授的帮助和支持。该研究得到了固体微结构国家实验室(筹)微加工中心技术支持以及江苏东海硅业科技创新中心支持。这一工作还受到国家重点研发计划,国家自然科学基金,江苏省自然科学基金,中央高校基本科研业务费专项基金项目的支持。

(杨鑫 供稿)