二維(2D)材料由于獨特的性能,包括高遷移率、優(yōu)異的光電響應和原子級尺度的溝道寬度，引起了廣泛研究興趣。其中, 黑磷(BP)因其高遷移率以及出色的電學性能而備受關注。BP的能帶調節(jié)范圍大，從2 eV（單層）~0.3 eV（塊體）, 適用于許多半導體器件。同時, BP還在光學和電學上展現(xiàn)出各向異性, 成為電子和光電子器件應用領域非常有前景的候選材料之一。

香港理工大學郝建華教授（通訊作者）、博士生趙鈺茜，博士后茅建豐（共一作者）等人報道了一種新型的BP轉移策略。選擇乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)聚合物和乙二醇(EG)作為粘合層和轉移介質，將之前廣受關注的通過精細控制的脈沖激光沉積(PLD)生長的厘米級高質量少層BP薄膜由非傳統(tǒng)電子器件基底（云母襯底）轉移到硅基襯底上，同時最大程度地保持了BP在轉移過程中的優(yōu)異結晶質量和性能。

作者制備了大面積底柵式少層BP場效應晶體管(FET)陣列, 并通過電學測試，展現(xiàn)了整個陣列器件良好的均一性。這些FET陣列器件具有高載流子遷移率和大電流開關比等優(yōu)異的電學特性, 與在云母襯底上生長的BP薄膜相當。這項工作證明了濕法轉移方法能夠制造高結晶BP陣列器件, 同時還能保持材料優(yōu)異的電學性能, 為BP材料更廣泛應用的提供了可行性。

二維(2D)材料展現(xiàn)出獨特的物理特性,為實現(xiàn)新型電子和光電子器件應用提供了廣闊的前景。相比于機械剝離法獲得超薄2D材料晶片, 晶圓級2D材料因其可以克服材料尺寸的限制, 滿足陣列器件的應用需求, 特別是集成電路等大規(guī)模應用，引起了科研界的廣泛關注。BP因其卓越的物理特性，為解決目前信息產業(yè)存在的問題提供了一種可能的解決方案。最近報道的通過脈沖激光沉積(PLD)方法在云母襯底上直接生長高度結晶的厘米級黑磷(BP)薄膜, 引起了廣泛的研究興趣。然而, 一種將BP薄膜與傳統(tǒng)硅基(光電)電子器件進行集成的有效且通用的轉移方法仍然缺失。

大面積二維黑磷（BP）薄膜的轉移

從圖中可以清楚地看到,BP薄膜完全從云母襯底上脫離了。轉移后得到的大面積 BP 薄膜表面潔凈、連續(xù)、均勻, 沒有出現(xiàn)任何裂紋或褶皺。這充分表明, 將 BP 薄膜從云母襯底成功轉移到硅基襯底上的過程非常順利。使用選擇乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)和聚苯乙烯（PS）作為粘合層進行對比, 結果表明EVA更適合大面積BP薄膜的轉移, 而PS轉移效果較差。這歸因于EVA與BP之間的黏附力強于黑磷與云母之間, 而PS與黑磷的黏附力較弱。

圖1. 脈沖激光沉積(PLD)制備的黑磷(BP)薄膜的濕法轉移過程

圖2. 不同轉移媒介的比較

黑磷(BP)薄膜表征

通過原子力顯微鏡(AFM)，X射線衍射(XRD)和拉曼光譜（Raman）分析顯示,濕法轉移前后BP薄膜的樣品特征基本保持不變,表明轉移過程沒有破壞BP薄膜的結構和質量。

圖3. 轉移前后的黑磷(BP)薄膜表征

黑磷（BP）場效應晶體管(FET)陣列的電學表征

通過制備具有不同溝道長度的BP FET陣列,我們發(fā)現(xiàn)濕法轉移后的BP薄膜表現(xiàn)出良好的均勻性和連續(xù)性。對比有無聚合物保護的BP FET, 發(fā)現(xiàn)聚合物涂層可以有效保護BP器件在大氣環(huán)境暴露下的電學性能。采用底柵結構制造的BP FET展現(xiàn)出優(yōu)異的輸出特性, 遷移率高達293 cm² V^-1 s^-1， 同時能夠實現(xiàn)3. 6×10³倍的電流調制。盡管隨著溝道長度增加, 性能略有下降, 但整體上濕法轉移工藝能夠很好地保持BP薄膜的高質量和完整性。

與其他制備方法得到的BP器件以及濕法轉移的二硫化鉬FET相比, 本文采用的濕法轉移BP FET展現(xiàn)出更加出色的電學性能, 突出了該方法的優(yōu)勢。這些結果表明, 本文所開發(fā)的濕法轉移技術能夠有效的推動大面積、高質量BP薄膜的應用，并為新型FET器件結構設計提供新的思路。

圖4. 轉移后的黑磷(BP)薄膜電學表征

圖5. 黑磷(BP) 場效應晶體管(FET)的轉移特性

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