二維材料具有原子級(jí)厚度和較高的比表面積，所有原子處于表面，導(dǎo)致其表面對(duì)表面吸附和外界環(huán)境較為敏感。二維半導(dǎo)體材料在電子學(xué)與光電子學(xué)器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望成為下一代小型化電子器件的核心材料。為實(shí)現(xiàn)此類(lèi)應(yīng)用，需要對(duì)材料進(jìn)行剪裁。通過(guò)常規(guī)的微納加工技術(shù)，包括光刻和反應(yīng)離子干法刻蝕或化學(xué)溶液濕法腐蝕，可對(duì)其進(jìn)行加工剪裁。然而，在這些加工步驟中，二維材料需要接觸光刻膠、溶劑以及高能離子等，帶來(lái)樣品的表面污染及邊界鈍化等問(wèn)題。在電子學(xué)器件工作過(guò)程中，污染物作為電子散射中心，降低了材料的導(dǎo)電性，從而影響器件性能的提升，這種現(xiàn)象對(duì)于二維材料電子器件尤為明顯。因此，實(shí)現(xiàn)大面積二維材料的無(wú)污染圖案化剪裁是亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。

近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室N07組博士生魏爭(zhēng)，在導(dǎo)師、研究員張廣宇的指導(dǎo)下，發(fā)展出一種全新的二維材料圖案化的方法。類(lèi)似于傳統(tǒng)的雕刻技術(shù)，該方法利用在手套箱中搭建的電動(dòng)位移系統(tǒng)，通過(guò)金屬鎢針尖在二維材料表面的機(jī)械刮擦實(shí)現(xiàn)直寫(xiě)圖案化。該直寫(xiě)圖案化方法具有大面積、快速和低成本等優(yōu)勢(shì)，且無(wú)須掩膜版、化學(xué)溶劑或高能離子輔助，裁剪下多余的材料易于去除，得到的樣品表面與邊界十分潔凈。該方法適用于晶圓級(jí)尺寸二維材料的圖案化加工，其精度能夠達(dá)到約1微米，逼近紫外光刻精度。另外，圖案化加工系統(tǒng)位于手套箱惰性氣體氛圍中，為加工易氧化的樣品提供有利條件。研究人員進(jìn)一步將該方法得到的二硫化鉬條帶作為溝道材料，結(jié)合轉(zhuǎn)移電極的方法，制備出無(wú)須曝光的高質(zhì)量場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件，該器件具有較高的場(chǎng)效應(yīng)遷移率和電流開(kāi)關(guān)比，且電極與溝道材料之間的接觸電阻和肖特基勢(shì)壘高度可有效降低。

該直寫(xiě)圖案化方法對(duì)于不同類(lèi)型的二維和薄膜材料（包括石墨烯、二硫化鉬、氮化硼、金屬薄膜、氧化物薄膜和有機(jī)物薄膜等）具有普適性。直寫(xiě)圖案化為制備高質(zhì)量、超潔凈的電子學(xué)與光電子學(xué)器件提供了簡(jiǎn)單、高效、低成本的新策略。相關(guān)研究成果發(fā)表在2D Materials上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的資助。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/aba99f

單層二硫化鉬的直寫(xiě)圖案化。(a)直寫(xiě)圖案化實(shí)驗(yàn)裝置；(b)直寫(xiě)過(guò)程示意圖；(c)圖案化的晶圓級(jí)單層二硫化鉬；(d)藍(lán)寶石襯底上各種圖案的單層二硫化鉬的光學(xué)顯微鏡圖像