复旦大学Nature Electronic：一种用于高密度二维器件集成的转移技术

【研究背景】

在当今电子器件快速发展的时代，二维（2D）材料因其独特的物理和化学性质，如无悬挂键的表面、原子级的厚度、可观的场效应迁移率以及通过范德华力相互粘附的能力，成为了电子器件集成领域的研究热点。二维材料，如二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）和二硒化钨（WSe2）等，不仅展示了优异的电学性能，还在构建高性能电子器件方面展现出巨大潜力。然而，要实现这些二维材料在电子器件中的广泛应用，一个关键挑战在于如何高效、无损地将大面积二维材料从其生长衬底上转移到目标衬底上。

尽管二维材料在电子器件领域的应用前景广阔，但其大面积转移技术却一直面临诸多挑战。现有的二维材料转移方法往往面临诸多限制，如转移过程中容易对材料造成损伤、转移尺寸受限、转移精度不高以及需要在横向尺寸、质量和精度之间做出权衡等。这些问题极大地限制了二维材料在高密度电子器件集成中的应用。因此，开发一种高效、无损且适用于大面积二维材料转移的新技术显得尤为重要。

为了克服这些挑战，科研人员们一直在不断探索新的二维材料转移技术。在此背景下，复旦大学团队提出了一种创新的质量转移打印技术（MTP），该技术采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章作为转移媒介，通过精确设计的微柱结构与二维材料实现紧密接触，并利用乙醇-水溶液的毛细力辅助湿转移机制，实现了对二维材料的高效、无损转移。这一技术的提出，不仅为二维材料的大面积转移提供了新的解决方案，也为高密度二维器件集成开辟了新的途径。该项工作发表于国际顶级期刊Nature Electronic。    

【研究方法与关键技术】

1.PDMS印章的制备

通过光刻技术制备具有周期性微柱结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章。这些微柱的尺寸和形状可以根据需要进行精确设计，以确保与二维材料的紧密接触和有效转移。制备好的PDMS印章表面平整，微柱排列均匀，为后续转移过程提供了良好的支撑。

2. 二维材料的生长与准备

采用化学气相沉积（CVD）方法在单晶蓝宝石衬底上生长大面积的单层二硫化钼（MoS2）薄膜。这种薄膜具有高质量、大面积和均匀性好的特点，是后续转移过程的基础。

3. 二维材料的转移过程

将制备好的PDMS印章倒置，使其微柱结构与MoS2薄膜紧密接触。然后，在印章边缘滴加少量乙醇-水溶液（体积比为1:1）。由于乙醇-水溶液具有较低的表面张力，能够迅速渗透到MoS2薄膜与蓝宝石衬底之间的界面，破坏它们之间的范德华力，使MoS2薄膜在毛细力作用下从蓝宝石衬底上剥离。剥离后的MoS2薄膜以微柱为支撑，保留在PDMS印章上，形成周期性排列的MoS2阵列。这一过程中，由于PDMS印章的粘弹性特性，能够保护MoS2薄膜免受损伤，实现无损转移。

4. 目标衬底的印刷

将带有MoS2阵列的PDMS印章与目标衬底（如SiO2-Si衬底）对准，并通过加热（40-70°C）使MoS2薄膜从PDMS印章上释放并粘附到目标衬底上。这一过程中，加热有助于降低PDMS的表面粘度，促进MoS2薄膜的释放和粘附。通过重复上述转移过程，还可以实现二维范德华异质结构阵列的精确堆叠和集成。    

5. 转移质量评估

通过光学显微镜、原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱等表征手段对转移后的MoS2阵列进行质量评估。评估内容包括转移产率、微观完整性、表面形貌和层数均匀性等。实验结果表明，该技术能够实现高达99%的转移产率和近乎无损的转移质量。

【论文插图】

图1 |晶圆级2D阵列转移和打印的MTP程序示意图。a、PDMS弹性体印模具有周期性排列的微柱（顶部）和CVD生长的晶片级单层MoS2薄膜（底部）。b、PDMS弹性体印模通过vdW力与CVD生长的MoS2薄膜紧密接触，然后将几滴混合溶液滴到基材边缘。c、通过毛细管力辅助湿转移法将MoS2阵列转移到PDMS印模上。d、PDMS印模是倒置的，这样MoS2阵列就可以与目标基板接触。e、在新的靶基板上印刷晶片级MoS2阵列。f、通过两步MTP操作打印WSe2–MoS2 vdW异质结构阵列。g、2英寸蓝宝石基板上CVD生长的MoS2薄膜的光学图像；2英寸MoS2膜与4英寸图案化PDMS印模接触；将转移的MoS2阵列放置在4英寸软PDMS印模上；将2英寸MoS2阵列转移到4英寸SiO2-Si基板上。插图：转移的MoS2阵列的典型光学显微镜图像。比例尺，80µm。h、不同转移温度下MoS2阵列转移产率和微观完整性的统计图。i、不同层厚度（L）和材料类型的2D阵列和/或薄膜在不同生长基板上的转移产量统计图。    

图2|PDMS印模形状确定的各种类型MoS2阵列的MTP。a–c，尺寸为10×10µm2、间距为30µm的转移MoS2阵列的光学显微镜图像，比例为：200µm（a），40µm（b）和20µm（c）。d–f，尺寸为20×20µm2、间距为20µm的MoS2阵列的光学显微镜图像，比例为：200µm（d），40µm（e）和20µm（f）。g–i，MoS2微带的光学显微镜图像，带的宽度为20µm，距离为20µm:200µm（g），40µm（h）和20µm（i）。j-l，通过两步MTP操作在以下尺度上获得的交叉MoS2-WSe2微带的光学显微镜图像：200µm（j）、40µm（k）和20µm（l）。m、n、典型转移的MoS2正方形（m）和MoS2微带（n）的AFM图像。比例尺，5µm。o、转移的MoS2-WSe2微带的拉曼图谱，拉曼强度是404.4 cm-1（MoS2）和249.4 cm-1的两个特定拉曼峰的组合。比例尺，5µm。p、转移的MoS2-WSe2微带的光致发光映射，光致发光强度是1.89 eV（MoS2）和~1.65 eV（WSe2）两个特定能级的组合。比例尺，10µm。q、MoS2阵列十次重复转移的转移产率和微观完整性统计曲线。插图：第十次转移的MoS2阵列的扫描电镜图像。比例尺，100µm（顶部）和10µm（底部）。r、MoS2阵列的拉曼光谱测量，包括10次重复转移的200条曲线。s、来自十次重复转移的MoS2阵列拉曼光谱中拉曼峰和相应半峰全宽（FWHM）的统计数据。    

图3 |基于毛细管现象的快速传递机制分析。a-c，与MoS2薄膜紧密接触的PDMS印模的俯视图（a）和正视图（b）示意图，以及将PDMS印模附着到MoS2薄膜表面后的毛细管力辅助转移模型的光学显微镜图像（c）。d–f，几滴混合溶液（d）开始渗透MoS2-基材界面（e），导致MoS2薄膜（f）在非接触区域破裂和滚动。g、 h，在图案化的PDMS印模和SiO2-Si基板（h）上测量一滴去离子水（g）的接触角，其中θ1、θ2表示接触角；γlg、γsg和γsl分别表示液气界面、固气界面和固液界面的表面张力系数。i、 显示去离子水在微毛细管区域的接触角的示意图：ΔP1表示纯水的拉普拉斯压力。j、 k，分别在图案化的PDMS和SiO2-Si基板（k）上测量一滴水-乙醇混合物溶液（j）的接触角，其中θ3、θ4表示接触角。l、 显示微毛细管区域接触角的示意图：ΔP2表示混合溶液的拉普拉斯压力。m、PDMS印模与MoS2薄膜和目标基板的示意图。n、带有MoS2薄膜的PDMS印模的光学显微镜图像，其中在微柱之间观察到裂纹。o、转移到目标基板上的MoS2阵列示意图。比例尺，60µm（c，f）；80µm（n）。    

图4|不同器件架构的MoS2 FET阵列的电气特性。a、SiO2-Si基板上背栅MoS2 FET阵列的光学显微镜图像。插图：一个单独的MoS2晶体管。比例尺，80µm。b、具有300nm厚SiO2作为介电层的背栅MoS2 FET阵列的传输特性。从1000个单层MoS2器件中收集了979多条曲线。c、在1000（20×50阵列）单层MoS2 FET的电流映射中，在VDS=0.5 V和VGS=30 V的黑暗中测量了电流（ID）。D、顶部栅极16×16 MoS2 FET阵列的光学显微镜图像，其中30 nm厚的HfO2作为介电层。比例尺，160µm。插图：典型的MoS2 FET。e、在VDS=0.5V下，顶栅MoS2 FET的传输特性随VGS的变化。F、在不同VGS下，典型顶栅MoS2-FET的输出特性随VDS的变化。g、具有20nm厚HfO2作为介电层的底栅16×16MoS2 FET阵列的光学显微镜图像。插图：典型的MoS2 FET。比例尺，160µm。h、在VDS=0.5V下，测量了底栅MoS2 FET的传输特性随VGS的变化，来自16×16 MoS2 FET阵列的245多条曲线。i、不同VGS下典型底栅MoS2 FET的输出特性随VDS的变化。    

图5|LED显示系统中用于2D驱动电路的底栅MoS2 FET的集成。a、LED显示硬件系统的光学图像。8×8 MoS2 FET用作LED显示器的驱动晶体管。b、全硬件驱动设备系统的示意图，其中包含微控制器、MoS2 FET阵列、解码器和8×8 LED矩阵显示器。Xtal，外部晶体振荡器；CLK，内部时钟；ViH，电压输入高；ViL，电压输入低；TFT、薄膜晶体管。c、大气环境下硬件系统中典型底栅MoS2 FET阵列的传输特性。d、对微控制器输出产生的8kHz电压脉冲（7V振幅，50%占空比）的电流响应。ILED是指LED的电流。e、8×8 LED矩阵显示器，具有全像素照明，分别显示“F”、“D”和“U”的发光字符。         

【结论与展望】

本研究成功开发了一种质量转移打印技术（MTP），实现了大面积二维材料（如MoS2）的高密度、无损转移与集成。通过利用PDMS印章上的周期性微柱结构，结合乙醇-水溶液的毛细力作用，成功将2英寸大小的单层MoS2薄膜以高达99%的产率转移至目标衬底上，形成了密度达62,500个/cm²的二维阵列。该技术不仅避免了传统转移方法中的光刻蚀步骤，显著提高了转移效率，而且保持了二维材料的近乎无损状态，确保了转移后器件的高性能。此外，还展示了利用该技术制备的MoS2场效应晶体管（FET）阵列在LED显示系统中的成功应用，验证了其在微尺度电路中的实用性和潜力。    

尽管本研究在二维材料转移与集成方面取得了显著进展，但仍有一些挑战和改进空间。首先，当前技术主要依赖于手动操作，未来需开发全自动化的转移设备，以进一步提高生产效率和降低成本。对于多层二维材料的转移，转移产率和完整性有待进一步提升，可能需要优化转移介质和条件。探索该技术在更多类型二维材料（如过渡金属硫化物、石墨烯等）及复杂异质结构中的应用，将拓宽其应用范围。随着二维材料研究的不断深入和转移技术的不断成熟，基于MTP技术的高密度二维器件集成有望在柔性电子、光电子、微纳传感器等领域展现出更加广阔的应用前景。我们期待该技术能够为下一代微纳电子器件的发展提供新的动力和解决方案。

【论文信息】

Liu, L., Cai, Z., Xue, S. et al. A mass transfer technology for high-density two-dimensional device integration. Nat Electron (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01306-w

本文的通讯作者为复旦大学周鹏教授、包文中教授和刘利伟青年副研究员。    

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