能够保持高载流子迁移率且通道厚度为原子级的二维(2D)材料可用于替代下一代电子产品中的硅。然而，在针对应用的基板上生产2D材料，以及制备高质量电介质晶片并将其与2D通道材料集成在一起却十分困难。最近，已经实现了没有晶界和褶皱的单晶2D材料晶片的合成，但器件性能仍然表现出很大的变化。这表明影响电子性能的因素主要根植于转移和器件制造过程，这些过程仍然是无法控制的，而不是生长步骤。无法持续生产具有适当电子性能、可重复性和稳定性的晶圆级器件也限制了商业应用。
传统的转移方法使用有机聚合物在转移过程中支撑石墨烯。然而，这些聚合物可能会产生聚合物残留物并产生裂缝和褶皱，从而污染二维材料的表面。然后需要与电介质进一步集成以实现电子应用。为了减轻短沟道效应，特征长度(
λ
)应缩小，需要采用等效氧化物厚度较小的高质量介电材料来降低
λ
。在二维通道材料上集成高质量电介质会导致界面污染、陷阱和缺陷，从而散射载流子。由于HfO
2
和ZrO
2
等薄非晶态氧化物的表面没有悬挂键，因此在二维材料上集成这些氧化物非常困难。六方氮化硼(hBN)和SrTiO
3
(STO)等材料是有前途的晶体电介质材料，因为它们的集成可以通过范德华(vdW)集成进行。然而，由于高漏电流或缺乏合成具有厚度控制的晶圆级单晶的方法，它们的实际应用受到限制。通过氧化半导体材料来保形合成天然氧化物电介质是另一种有前途的途径，但它不适用于最常用的二维材料，例如石墨烯和二硫化钼(MoS
2
)。总之，很难找到适合大规模生产二维通道和电介质材料的生长衬底，目前的衬底不能满足所需的目标衬底范围，包括常见的硅基衬底。
北京大学刘忠范教授（中国科学院院士）、林立研究员、张艳锋教授
等研究人员报告了一种使用介电氧化锑(Sb
2
O
3
)单晶膜同时转移和封装2D材料的方法。单晶Sb
2
O
3
(s-Sb
2
O
3
)可以在石墨烯覆盖的Cu(111)基板上以晶片级外延生长，单晶特性导致厚度为
2 n
m (EOT为0.6 nm)时
漏电流低于10
-5
A cm
-2
。通过该方法，可以创建石墨烯器件，该器件在
4英寸(约10厘米)
晶片上表现出高载流子迁移率、电子均匀性和良好的稳定性，这归功于干净的介电界面。最大载流子迁移率为
29,000 cm
2
V
-1
s
-1
，平均载流子迁移率为
14,000 cm
2
V
-1
s
-1
，与之前报道的值相比更为有利。此外，在石墨烯表面保形合成Sb
2
O
3
使得石墨烯能够无损转移到目标基板上。s-Sb
2
O
3
晶片还可以转移并用作顶栅单层MoS
2
器件中的电介质，从而使器件的
开/关比为10
8
，亚阈值摆幅为64 mV dec
-1
。
相关研究成果以“
Dielectric-assisted transfer using single-crystal antimony oxide for two-dimensional material devices
”
为题
发表在
Nature Electronics
上。
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单晶氧化锑薄膜的外延生长
：在Cu(111)表面实现了约2纳米厚的单晶氧化锑薄膜的外延生长，为二维材料器件的介电层提供了高质量的材料基础。
二维材料的高效转移
：利用单晶氧化锑辅助转移技术，成功实现了石墨烯等二维材料在目标衬底上的低缺陷转移，避免了传统转移方法中常见的杂质引入、裂纹和褶皱等问题。
优异的电子性能
：转移后的石墨烯器件在4英寸晶圆上展现出优异的电子性能，其最大载流子迁移率和平均迁移率均高于以往报道的值，并且具有良好的均匀性和长期稳定性。
适用于多种二维材料
：单晶氧化锑不仅适用于石墨烯，还可作为顶栅介电材料用于二硫化钼等其他二维材料器件，显著提升了器件性能。
图案化转移与异质结构制备
：通过在转移前对二维材料进行图案化处理，实现了对二维材料的精确转移和图案化，同时利用单晶氧化锑的可去除性，成功制备了具有超净界面的范德华异质结构，为二维材料在电子电路中的应用提供了新的思路和方法。
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图1.在石墨烯覆盖的Cu(111)表面上外延生长单晶Sb
2
O
3
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图2.Sb
2
O
3
薄膜辅助的2D材料晶圆级转移
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图3.转移并被Sb
2
O
3
薄膜覆盖的石墨烯的电子特性
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图4.以s-Sb
2
O
3
作为顶栅电介质的石墨烯和MoS
2
器件
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这项研究报道了在石墨烯覆盖的Cu(111)表面上制造晶圆级、薄（厚度低至2纳米）s-Sb
2
O
3
电介质薄膜的方法。s-Sb
2
O
3
在EOT为0.6纳米时表现出低于10
-5
A cm
-2
的漏电流，接近2023年国际设备和系统路线图对EOT< 0.5纳米的要求。保形沉积使得能够将具有低密度褶皱和裂纹的s-Sb
2
O
3
/石墨烯堆栈转移到目标基板上。Sb
2
O
3
在具有干净界面的石墨烯上的简单集成可导致整个晶圆上超高的载流子迁移率，并具有出色的晶圆级均匀性和长期稳定性。s-Sb
2
O
3
电介质也是可转移的；将其沉积到CVD生长的单层MoS
2
表面上，使MoS
2
转移到目标基板上，并创建开/关比为10
8
且亚阈值摆幅为64 mV dec
-1
的晶体管。该方法提供了一种可靠的方法来制造晶圆级高质量电介质单晶，并且与批量转移和器件制造工艺兼容。
https://doi.org/10.1038/s41928-025-01353-x
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