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2D材料转移新方法:微圆顶结构聚合物任意玩转二维材料!(旋转、折叠、拖动、剥离)
发表时间:2020-03-25  点击:562

2D材料转移新方法:微圆顶结构聚合物任意玩转二维材料!(旋转、折叠、拖动、剥离)

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一、研究背景

基于二维材料制备的范德华异质结已经给纳米材料科技带来了很多新奇的发现。从块体材料剥离高质量二维晶体之后,通过后续的转移组装方法可以实现高质量范德华异质结构的制备,为二维材料中新物理现象研究提供可靠的研究平台。但是,到目前为止,几乎所有二维材料转移技术局限在简单的pick-up和release操作。从目前范德华异质结构制备最新进展来看,需要发展更复杂的二维材料操控方法,比如二维材料的滑动,旋转和折叠等操作。

二、工作简介

1. 微圆顶结构聚合物的制备方法 MDP fabrication method

该文通过载玻片上多次点滴PDMS混合液的方法制备了PDMS聚合物微型圆顶结构(micro-dome polymer (MDP)), 并且在MDP上方转移PVC增加与二维材料的粘力。通过这种微型聚合物结构,在转移台显微镜下可以实现对二维材料的滑动、旋转、折叠、翻转和剥离等操控,为复杂范德华异质结制备带来了机遇。

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1a-c PVC-双面胶正方形孔状结构。

PDMS聚合物微型圆顶结构(MDP)的制备方法:

首先在载玻片上贴PDMS片,在PDMS片上用牙签点滴(dropping)配好的PDMS溶液,130℃放置5min制备较大的圆顶结构,在该圆顶结构上方利用金丝(直径为25.4μm)点滴PDMS溶液同样放置130℃,5min制备更小的圆顶结构。最后利用更小直径的乌针(直径为200nm)在圆顶结构上方点滴PDMS溶液,放置130℃, 5min制备第三个更小直径的原定结构。最终得到的最上层的圆顶结构直径大约30μm。

PVC-MDP复合结构的制备方法:如下图1所示,

在圆顶结构上方转移PVC薄膜增加与二维材料的粘力。首先将PVC片平铺在载玻片,在PVC上方贴四条双面胶得到正方形孔状结构如图1a-c所示。

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1d-f  PVC转移到MDP上方,压覆成PVC-MDP复合结构

去除双面胶外侧的PVC后将其转移至MDP上方,有双面胶的一面贴到PDMS上,确保MDP结构与样品接触的表面保持干净平滑

2. MDP操控的工作原理以及翻转演示

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2 MDP操控的工作原理

 

2所示为MDP操控的工作原理。多功能高精度二维材料转移平台(设备原理请点击阅读原文)装上制备好的MDP载玻片之后可以实现对二维材料的实时观察与操控。因PVC与二维材料的粘力较强,与衬底Si/SiO2之间的粘力以及摩擦力较弱,所以即使MDP与二维材料的接触面积小也可以牢固的粘住二维材料,通过转移台上三轴位移台实现二维材料的折叠、翻转、旋转、拖动、剥离等三维空间中的移动。

需要注意的是PVC与二维材料的粘力在70℃最强, 130℃时则几乎没有粘力,可以释放二维材料到衬底上方。而且PVC的机械强度高,热释放之后PVC的粘力仍然没有明显变化,只要界面保持洁净,MDP结构可以重复使用多次。另外,改变载玻片与衬底之间的距离时MDP与衬底之间的接触面积可以在10μm-100μm范围内变化。总而言之,通过改变MDP与二维材料接触的面积、位置、温度等参数并且配合三轴位移台的使用可以实现对二维材料操控。 

3. 利用MDP折叠、裁剪、剥离二维材料

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3. 二维材料的折叠以及裁剪

通过改变MDP与二维材料的接触面积可以调控二维材料的折叠与裁剪过程,如图3所示。当MDP与二维材料边缘的接触面积较小时,沿着垂直于二维材料边缘的方向移动MDP可以裁剪二维材料。当接触面积较大时,可以实现对二维材料的折叠制备高质量的范德华异质结周期性结构。比如反复折叠h-BN/石墨烯/h-BN的异质结制备周期性结构用于量子输运等研究。

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4. 二维材料的剥离

4. 利用MDP面内移动二维材料及其应用

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5. 二维材料的平面内拖动以及旋转

利用MDP还可以在平面内操控二维材料的移动如二维材料的拖动,旋转等。如图5所示,在已经制备好的二维材料异质结构中可以通过拖动以及旋转等操作改变异质结的几何结构,这种方法可以调节构成异质结的二维材料相对位置利于电极图形的设计。

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6. 挤出转移过程产生的气泡如图6所示

二维材料的平面内拖动还可以用于挤出异质结中的气泡,得到较为干净的异质结界面,提高器件性能。

三、总结与展望

总之,通过使用聚合物微结构MDP可以实现在光学显微镜实时观察下对二维材料进行滑动、旋转、折叠、翻转和剥离等操作。MDP与二维材料之间接触面积以及粘力可以在小范围区域(10-100μm)内调控。并且PVC聚合物与二维材料之间的粘力在70°C时最大,在~130 °C时会表现出较弱的粘力,从而使二维材料从MDP轻松脱离。这种MDP操作功能可以与电动位移台集成到光学显微镜系统中。作者认为,这种通过MDP操控二维材料技术具有巨大的潜力,有助于发展范德华异质结构制备技术,从而制备更复杂的3D结构。

四、文献信息

文献名称:3D manipulation of 2D materials using micro-dome polymer(NANO Letter.DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b05228)


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