近日，南京大学物理学院高力波教授课题组在晶圆级二维材料范德华超晶格可控制备领域取得重要突破，相关研究成果以《Stacking transfer of wafer-scale graphene-based van der Waals superlattices——堆垛转移构建晶圆级石墨烯基范德华超晶格》为题，于2023年9月6日在线发表在《Nature Communications》。同时，该方法也在申请中国发明专利（202210683738.7）。
石墨烯，作为最早被发现并且具有优异力学、电学、光学性能的二维材料，是当前二维材料范德华超晶格结构和功能器件中最常见的组成部分。基于石墨烯基超晶格已经探索出一系列新颖的物性，如转角石墨烯的非传统超导特征、关联绝缘态、量子反常霍尔效应等。石墨烯基超晶格将为新一代光电等信息功能器件的制作提供无限可能。然而，如何获得晶圆级均匀并且具有特定堆垛角度的石墨烯基超晶格，具有很大的挑战。
为此，南京大学物理学院高力波教授课题组开发出结合旋转脱水和质子辅助的“平整对平整”的叠层转移方法。该课题组首先基于两步旋转脱水的方法，均匀去除石墨烯和目标衬底之间的溶液层，实现二者均匀贴合，避免出现折叠、破损等结构缺陷，然后进一步采用质子辅助处理，去除残留的水分子，同时解耦石墨烯，降低掺杂缺陷，大幅度提升了样品的质量。这种“平整对平整”的转移过程示意图参看图1。
基于该方法，课题组首先成功实现晶圆级单层石墨烯到平整SiO2/Si等目标衬底的无损转移；然后，课题组进一步通过调控石墨烯及其他二维材料对溶液的浸润性，将浸润角控制在40°—60°之间，实现了晶圆级单晶石墨烯的叠层转移，并且样品宏观均匀，无破损、折叠、撕裂等结构缺陷，以及具有超洁净的表面。另外在叠层转移过程中，课题组通过调控石墨烯单晶晶圆的宏观堆垛角，实现层间扭转角的精确可控，其中宏观堆垛角的误差范围控制在±1°以内，随机测量的选区电子衍射（SAED）结果显示，扭转角和宏观堆垛角基本吻合，最终获得具有特定堆垛角度的、具有晶圆尺寸的均匀双层和多层石墨烯薄膜。课题组通过进一步的电学测量，发现这种石墨烯薄膜表现出优异的电学性能，具有较低的掺杂水平，能够在相对温和的测试条件下实现量子霍尔效应，而且量子霍尔效应出现的阈值和样品尺寸无关。最终，课题组成功实现单层石墨烯在厘米尺寸时的双极性输运特性和室温量子霍尔效应，以及多层叠层石墨烯在数百微米尺寸时的量子霍尔效应。这些测量结果充分说明了课题组转移的石墨烯薄膜具有非常高的质量。测量的主要结果参看图2。
课题组开发的结合旋转脱水和质子辅助处理的“平整对平整”转移方法，成功获得具有特定堆垛角度的晶圆级双层、三层以及更多类型的石墨烯基范德华超晶格，表征结果显示了完美的形貌特征和优异的光学、电学性质。值得一提的是，该课题组同日在《Nature》上发表了堆垛生长范德华超导异质结的重要工作，采用“由高到低”的生长策略，逐层堆叠生长出多种类型的二维材料范德华异质结。该课题组发明的这两种方法，为制作包括石墨烯等在内的更多种二维材料所堆垛的范德华超晶格和异质结提供了参考，有望加速二维材料在未来功能器件中的应用。
本项工作中，南京大学物理学院“毓秀青年学者”袁国文和博士生刘伟林为共同第一作者，南京大学物理学院高力波教授为该工作的通讯作者。该工作的合作者还包括物理学院研究生黄贤雷、万子豪、王超、郑航、杨可汉，和姚冰博士、周振佳博士、徐洁副研究员以及现代工学院的聂越峰教授、孙文杰博士。该工作同时感谢物理学院丁海峰教授、陈宫教授、牛恒博士、戴耀民教授和周小强博士的帮助，以及感谢国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、霍英东青年教师基金、博士后创新人才支持计划、固体微结构物理国家重点实验室与人工微结构科学和技术协同创新中心等经费资助和大力支持。
图1. “平整对平整”转移过程示意图。转移过程包括两步旋转脱水过程和质子辅助处理解耦过程。a，初始时PMMA/石墨烯与SiO2/Si衬底之间存在较厚的水层；b，经过低速旋转过程，衬底和石墨烯之间减薄的溶液层；c，经过高速离心脱水后，残留的少量水分子掺杂石墨烯薄膜；d，利用质子辅助处理去除残留的水掺杂，同时解耦石墨烯。其中θ1为去离子水与石墨烯的浸润角；θ2为去离子水与SiO2/Si衬底之间的浸润角，通常小于60°；θ3为修正溶液，如IPA/H2O，与石墨烯的浸润角，此时石墨烯变得亲水。
图2. 晶圆级单层和多层石墨烯薄膜。a，转移至SiO2/Si衬底的4英寸石墨烯的照片，薄膜宏观均匀，仅能从空白区域区别；b，叠层转移至SiO2/Si衬底的三层4英寸石墨烯的照片，薄膜宏观均匀；c，双层石墨烯的原子力显微镜高度图，样品均匀超洁净，高度约1.5纳米；d，宏观堆垛角度控制过程，调整角度为~0°；e，获得具有固定堆垛角度的三层石墨烯；f，随机测量的SEAD图，扭转角和宏观堆垛角基本吻合，插图为一阶和二阶SEAD斑点的相对强度；g，厘米级石墨烯霍尔器件的照片；h，厘米级器件的量子霍尔效应；i，双层石墨烯，霍尔电导σxy的二维等值线图，在1.5 K和磁场强度大于2.7T时既可出现朗道能级。
相关论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41296-5