二維材料指的是由單原子層或幾個(gè)原子層構(gòu)成的晶體材料[1]。從2004年石墨烯發(fā)現(xiàn)之后，二維材料開始成為凝聚態(tài)物理研究的重點(diǎn)之一。而二維材料一般都有對(duì)應(yīng)的體材料，雖然化學(xué)組成是相同的，但是實(shí)際上在光電性質(zhì)上往往天差地別。就拿最常見的石墨烯來(lái)說，石墨烯比其體材料的載流子遷移率要大得多；同時(shí)單層石墨烯的拉曼峰的相對(duì)強(qiáng)度和展寬和石墨相比，也產(chǎn)生了巨大的變化。

本文以石墨烯為例子，主要介紹本實(shí)驗(yàn)室中制備二維材料并測(cè)量其電學(xué)性質(zhì)的過程。

一、制備單層石墨烯

制備單層石墨烯使用全干法轉(zhuǎn)移，全干法是從最初的透明膠帶法改良而來(lái)的一種方法，其優(yōu)點(diǎn)是干凈，制備速度快。

實(shí)驗(yàn)室有兩種石墨（見圖1），一種是HOPG（Highly Oriented Pyrolytic Graphite，高定向熱解石墨）。HOPG是一種新型高純度碳,是熱解石墨經(jīng)高溫高壓處理后制得的一種新型石墨材料，其性能接近單晶石墨[2]。另外一種是天然石墨?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室主要使用天然石墨進(jìn)行單層石墨烯的制備。

圖1：HOPG與天然石墨

首先，使用藍(lán)膠（透明膠帶的一種，黏性弱但是更加干凈）粘附少許石墨烯樣品，用藍(lán)膠對(duì)粘數(shù)次之后藍(lán)膠表面的樣品慢慢就比較薄了，在樣品數(shù)量達(dá)到不多不少的程度的時(shí)候（見圖2），就可以進(jìn)行下一步的操作了。

圖2：粘上一些樣品的藍(lán)膠

硅片（表面有300nm的SiO2氧化層，見圖3）接觸藍(lán)膠上的石墨烯，并且使用棉簽輕輕按壓石墨烯使其和硅片緊密接觸，最終使硅片上粘附一定量的石墨烯。撕開藍(lán)膠之后將硅片轉(zhuǎn)移到顯微鏡下進(jìn)行觀察和尋找單層石墨烯（見圖4）。

圖3：硅片

    

圖4：顯微鏡下尋找石墨烯單層樣品

找到單層石墨烯之后，因?yàn)槭┍旧韺?dǎo)電性就很好，和普通的電極（Au，Al等）的肖特基接觸基本可以忽略，只有歐姆接觸，因此不需要額外制備中間電極，只需要直接接入金屬電極就可以進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量。以后會(huì)具體討論二維半導(dǎo)體材料（MoS2，In2Se3,CrBr3等）減小肖特基接觸的問題。

二、微電極的制作

在單層石墨烯制備好之后，需要接入微電極進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量。

在單層石墨烯上制作微電極需要進(jìn)行微納加工才可以進(jìn)行。制作微電極的基本流程見圖5。

圖5：微電極加工流程

第一步：旋涂。

在硅片上旋涂一層膠。一般涂膠用正膠（正膠就是曝光區(qū)域的膠在顯影時(shí)溶解，負(fù)膠反之，未曝光的區(qū)域溶解）。根據(jù)所選的光刻膠以及你后續(xù)工藝的需要，我們做電極一般常用AZ6112正膠。設(shè)置勻膠機(jī)參數(shù)：預(yù)轉(zhuǎn)速500r，時(shí)間是5s；轉(zhuǎn)速4000r，時(shí)間30s。在勻膠機(jī)的作用下膠會(huì)均勻分布在硅片上。這樣的條件下光刻膠的厚度大約1μm。

第二步：烘烤。

光刻膠旋涂完畢后接著是放在熱板上烘烤增強(qiáng)光刻膠與硅片粘附力，防止光刻膠污染設(shè)備，實(shí)際操作中如果不烘烤硅片稍微磕碰光刻膠就會(huì)彌散。加熱溫度設(shè)置為100℃，時(shí)間為90s。

第三步：對(duì)準(zhǔn)，曝光與顯影。

掩膜板是一塊玻璃，上面鍍有反射層，而制作電極的地方（即光刻圖案）沒有反射層。將掩膜板上光刻圖案剛好對(duì)準(zhǔn)在石墨烯上之后，就可以進(jìn)行曝光操作。曝光之后就是顯影，掩膜板上電極所在區(qū)域的膠都會(huì)消失，就好像凹下去了一樣，空出來(lái)的部分就用以放置電極（見圖6）。

圖6：顯影后的電極位置

第四步：鍍膜。

如果顯影效果還不錯(cuò)，就開始鍍膜。將顯影后的樣品放在電子束蒸發(fā)腔內(nèi)，蒸發(fā)腔內(nèi)有各種金屬（Cr，Au，Al，Ti等），原理是使用高壓電子束加熱蒸發(fā)料，蒸發(fā)材料揮發(fā)后沉積到樣品表面，這一步參數(shù)設(shè)置好后基本自動(dòng)完成鍍膜。我們一般先鍍5nmCr再鍍30nmAu。單獨(dú)鍍金的話金會(huì)發(fā)生團(tuán)聚影響其相應(yīng)的功能，先鍍Cr的話可以增強(qiáng)其粘附性。

第五步：去膠。

鍍完膜后就可以去膠。我們?nèi)ツz一般就是將鍍完膜的樣品放在丙酮溶液中泡，只是這樣用時(shí)很長(zhǎng)，或者用超聲大概5min基本就能將膠去掉，這時(shí)放在顯微鏡下你會(huì)看到和光刻板上的圖案一樣的鍍了金屬的電極。而其他地方的膠都會(huì)消失。

第六步：傍線。

傍線，就是用非常細(xì)的Al線一端接在樣品微電極，一端接在自己加工的底座上。這樣微電極就制備完了，之后就可以進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量。

三、電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量

在石墨烯的微電極制備好之后，接入導(dǎo)線和電壓就可以進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量。

如圖7，是石墨烯的三個(gè)電極，接入源表。柵極接入正電壓或者負(fù)電壓可以改變空穴或者電子的濃度，源極和漏極接入電壓并測(cè)量電流可以得到石墨烯的伏安特性曲線。實(shí)驗(yàn)裝置見圖8。

圖7：測(cè)量石墨烯伏安特性曲線器件示意圖

圖8：接入源極，柵極，漏極導(dǎo)線的實(shí)驗(yàn)器件

引用文獻(xiàn)

[1]於逸駿,張遠(yuǎn)波,YUYi-Jun,等.從二維材料到范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)[J].物理,2017,46(4):205-213.

[2]HOPG_互動(dòng)百科