高鸿钧院士等Nat. Commun.：通用！一口气解理40种大面积单晶二维材料！

黄元

2020-05-18

第一作者：黄元，潘宇浩，杨蓉

通讯作者：高鸿钧、周兴江、季威、Peter Sutter

通讯单位：中国科学院物理研究所，中国人民大学，内布拉斯加林肯大学

研究要点：

1，通过理论计算得到了金元素与58种层状材料的结合能，指出了层状材料单层中的最外层元素是影响解理过程的关键；

2，利用金辅助的方法，成功解理出了40种毫米量级二维材料，并制备出了悬空结构和异质结；

3，通过控制金属层厚度可以实现导电和绝缘的调控，首次在金属薄膜上制备出高开关比的场效应晶体管。

研究背景

自从第一个石墨烯被解理出来以后，二维材料的研究如火如荼，目前已经发展成为材料家族中非常庞大的分支，拥有上千种材料体系，涵盖了绝缘体、半导体、半金属、金属和超导体，是凝聚态物理和材料科学领域的研究热点。在基础科学研究中，二维材料展现出了许多不同于块体材料的新奇性质。制备高质量的二维材料，特别是原子级的超薄材料，是开展本征物性研究和探索新现象的基础。在诸多二维材料制备方法中，包括化学气相沉积法（CVD），分子束外延法（MBE）、液相剥离法等，机械解理法被认为是研究二维材料本征物性最理想的制备手段。

2004年，机械解理技术最早由诺贝尔物理学奖得主Geim教授和Novoselov教授用于制备石墨烯。近十年来，机械解理技术已被广泛应用于制备各种高质量的二维材料。石墨烯中的无质量费米子和量子霍尔效应，MoS₂从多层到单层过渡时的能带结构转变，以及单层高温超导材料Bi2212的超导相图，都是在机械解理的样品上展开研究的。在异质结和转角石墨烯等人造晶体中，机械解理的样品也同样展现出独特的优势。机械解理的样品与基底相互作用弱，制备过程简单，样品质量高，这些优势使得该方法在二维材料研究中获得了极大的成功。但是随着研究的深入，人们发现该方法同样存在一些重要的问题，特别是制备效率低和获得的样品尺寸小，限制了许多先进的实验手段如扫描隧道显微镜（STM）、红外-太赫兹光谱以及角分辨光电子能谱（ARPES）对二维材料的研究。

2015年，美国布鲁克海文国家实验室的黄元博士和Peter Sutter教授与中科院物理所高鸿钧院士合作，提出了利用氧气等离子体增加石墨烯和基底相互作用的新型解理方法（ACS Nano. 9 (11), 10612 (2015)），成功获得了毫米量级的单层石墨烯和高温超导材料Bi2212，这使得研究大面积单层单晶石墨烯和Bi2212的更多物理性质成为了可能。然而从解理石墨烯至今的十五年中，人们一直没有找到一种具有普适性的机械解理技术，这使得探索许多新型二维材料体系的本征物性变得越来越困难。

成果简介

2020年5月15日，Nature Communications在线报道了中科院物理所周兴江研究团队、高鸿钧院士团队与中国人民大学季威教授在机械解理技术领域的最新研究成果（DOI: 10.1038/s41467-020-16266-w）。在该文章中，研究人员发展了一种金膜辅助的普适性机械解理方法，可以用于获得大尺寸超薄二维材料。

图1. 不同层状材料自身层间结合能以及与金相互作用能的对比。

要点1：计算金元素与58种层状材料的结合能

中国人民大学博士研究生潘宇浩系统地计算了58种层状材料体系与金（111）表面的相互作用 （图1），结合元素周期表中不同元素的相互作用规律，指出层状材料的最外层元素和基底的相互作用是影响机械机理最关键的因素。针对最外层元素含有VA，VIA，VIIA主族的层状材料，可以采用金膜辅助的解理方法。中科院物理所黄元副研究员和杨蓉副研究员在实验上成功实现了对40种二维材料的大面积解理，单层二维材料尺寸在毫米量级以上（图2和图3），充分验证了理论计算结果并检验了这种机械解理技术的普适性。

图2. 机械解理获得多种大面积高质量超薄二维材料。(a) 新型机械解理的步骤; (b-e) 不同基底上解理得到的大面积MoS₂; (f-g) 解理得到的多种大面积二维材料； (h-j) 异质结及悬空二维材料的拉曼光谱及荧光光谱。

图3. 解理得到的多种二维材料的光学照片。

要点2：实现导电和绝缘的调控，制备出高开关比的场效应晶体管

由于金和许多二维材料可以形成准共价键，这种相互作用远大于层间的范德华相互作用，因此可以通过在衬底上蒸镀金膜，在不影响材料本征物性的前提下高效地解理出大面积的单层样品。由于金膜可以通过KI/I₂的溶液将金膜溶解，因此解理后的二维材料可以从金膜表面转移到任意基底，也可以堆叠到其它二维材料表面制备出异质结。更为重要的是，这种解理方法可以实现多方面的调控。

首先，这种解理方法无需连续的金膜，可以实现高效悬空样品的制备，这为研究材料的本征光学性质和输运性质提供了理想的研究体系；其次，这种方法可以实现基底导电性的调控，针对不同的实验要求，可以选择性地实现基底的导电和绝缘。针对STM和ARPES等需要基底导电的真空研究手段，可以通过增加金膜的厚度，直接将二维材料解理到金膜上，并观察到清晰的原子结构和能带结构 （图4）；而针对荧光光谱和电输运测量，可以将金属膜的厚度控制在3 nm以下，获得绝缘性的金属岛，从而获得良好的荧光信号和高开关比的场效应晶体管 （图5）。

图4. 在大面积的单层样品上获得的原子图像、低能电子衍射斑点及能带结构图。

图5. 通过控制金属膜的厚度，可以获得绝缘的金属膜，可以在器件中实现高开关比和超导特性测量。

此外，研究团队利用该技术在国际上首次解理出大面积的单层FeSe, PtSe₂, PtTe₂, PdTe₂等材料，为后续开展一些新材料物性的探索打下了良好的基础。该解理方法展现出了非常好的普适性，也可以在透明基底、柔性基底上实现有效解理，为多种光学研究、柔性器件研究提供了新思路。

小结

这一研究成果首次给出了针对不同层状材料的普适性解理规律，对于探索更多二维材料的新奇物理性质具有重要的推动作用，也为未来大面积晶圆级二维材料的制备和应用提供了新的可能性。本工作得到了科技部、基金委、中科院以及广东松山湖实验室、中国人民大学和上海超算中心的大力支持。

参考文献

Huang Y, et al. Universal mechanical exfoliation of large-area 2D crystals. Nature Communications. 2002.

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16266-w#MOESM1