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物理所等在超高真空机械剥离和堆垛技术研究中取得进展

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  近年来,二维材料及其异质结构在电子、光电及自旋器件领域颇具应用潜力而得到广泛关注。然而,制备表面高度洁净的二维材料以及界面原子级平整干净的二维异质结较为困难,尤其对于表面敏感的二维材料而言更是如此。制备二维材料的方法主要分为两类:以分子束外延(MBE)和化学气相沉积为代表的“自下而上”法和以机械剥离为代表的“自上而下”法。“自下而上”法受到生长动力学的制约,仅能在特定衬底上制备特定的二维材料,且制备出的二维材料通常具有确定的取向,限制了可获得的二维异质结的种类。相比于“自下而上”的材料合成策略,以机械剥离为代表的“自上而下”方法具有操作简单、灵活性强的特点,对于范德瓦尔斯材料而言可容易地制备传统生长方法难以实现的少层样品和转角结构。然而,传统的机械剥离方法是在大气或手套箱中进行,存在问题:一是环境的污染将引入大量的杂质或缺陷。即使对于稳定的二维材料(如石墨烯),这种方法制备的样品,如未经退火处理,传入真空后,由于表面吸附了大量的杂质,难以利用ARPES、STM等表面敏感的技术进行测量,而高温退火可能引入更多的杂质或缺陷。二是很多单晶表面在空气中甚至低真空环境下不能稳定存在,如Si(111)-7×7、Cu(111)、Fe(100)等,这些材料的表面必然会被氧化并吸附大量的杂质。因此,传统的机械剥离方法无法制备二维材料与这类衬底构筑的异质界面。

  近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心SF9组特聘研究员冯宝杰/研究员陈岚/研究员吴克辉、SC7组研究员周兴江,与北京理工大学教授黄元合作,指导博士研究生孙振宇、韩旭等,自主设计并搭建了一套超高真空环境下的二维材料机械剥离-堆垛系统。研究将机械剥离技术与超高真空MBE技术结合到一起,在本底真空10-10mbar量级的环境中,利用MBE技术制备了多种原子级平整、洁净的表面,并利用机械剥离技术在这些衬底上剥离了多种单层和少层二维材料。

  设备的工作原理图如1所示,所有操作均在超高真空中完成。研究利用高温退火、离子溅射、等离子体刻蚀、MBE生长等多种表面处理技术获得原子级平整、洁净的表面。表面的质量可通过原位的扫描隧道显微镜、低能电子衍射、角分辨光电子能谱等超高真空表面分析手段进行确认。研究在超高真空中将二维材料进行解理,获得新鲜的表面,并轻压到衬底表面上。最后,研究将系统加热并分离,获得了多种单层和少层二维材料。利用该方法,研究不仅重复了大气下的金辅助剥离技术,而且获得了多种以前未报道过的二维异质结,包括Bi-2212/Al2O3、Bi-2212/Si(111)、MoS2/Si(111)、MoS2/Fe、MoS2/Cr以及FeSe/SrTiO3(任意角度)等。

  为进一步展示该系统的能力,科研人员选择两个体系作为示例。一是研究利用金辅助剥离技术,在超高真空中制备出毫米级的单层黑磷样品,并利用原位的低能电子衍射、角分辨光电子能谱对样品进行表征,观察到清晰的衍射斑点和沿高对称方向的空穴型能带(图3),这是目前国际上首次对单层黑磷进行的相关测量。二是研究为了揭示不同金属衬底对二维材料物性的影响,探究单层MoS2和WSe2在不同金属表面的光学性质(图4)。研究通过测量不同金属上单层WSe2的荧光光谱发现,除了Au衬底以外,剩下的Ag、Fe、Cr等表面均不淬灭WSe2的特征A激子发射,且峰位略有偏移。研究通过拉曼光谱发现,在Au和Ag表面上的MoS2,其特征拉曼峰E2g和A1g除频率移动外,展现出了奇特的劈裂行为。

  本工作为进一步制备高质量的二维材料及异质结样品、探索材料的本征物性以及界面演生现象提供了全新的方法。相关研究成果以Exfoliation of 2D van der Waals crystals in ultrahigh vacuum for interface engineering为题,发表在Science Bulletin上。研究工作得到国家自然科学基金、科技部、北京市自然科学基金、中科院国际合作项目及中科院战略性先导科技专项(B类)等的支持。

图1.超高真空中机械剥离二维材料

图2.在单晶衬底上获得的超薄二维材料

图3.大面积单层黑磷的真空原位LEED和ARPES表征

图4.不同金属表面单层WSe2和MoS2的光学响应