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科技工作者之家 2020-05-17
来源:知社学术圈
二维材料家族涵盖了绝缘体、半导体、半金属、金属和超导体,是目前凝聚态物理和材料科学领域的研究热点。制备高质量的二维材料,特别是原子层量级的超薄材料,是开展本征物性研究和探索新现象的基础。
随着研究的深入,多种二维材料的制备手段逐渐发展起来,包括化学气相沉积法(CVD),分子束外延法(MBE)、液相剥离法和机械解理法等。化学气相沉积法可以制备大面积的二维材料,但对于不同材料制备工艺差异很大,在单晶性、缺陷、层数等方面难以控制,为深入研究二维材料的性质带来了挑战;分子束外延法可以获得单晶质量很高的样品,但对于真空度、元素的物理性质以及基底的选择都有极高的要求,很多二维材料难以通过MBE方法制备,并且在某些材料体系中(如单层FeSe),分子束外延法生长的二维材料与基底存在显著的相互作用,影响到对于材料本征物性的研究。液相剥离法可以实现二维材料的量产化制备,对于工业化应用有重要应用潜力,但这种制备方法在制备过程中会引入缺陷和液相污染,不利于研究二维材料的本征性质。
2004年,诺贝尔物理学奖得主Geim教授和Novoselov教授最早发展出了机械解理技术,并获得了单层石墨烯,掀起了二维材料的研究热潮。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、MoS2以及单层高温超导材料Bi2212等诸多材料的本征物理性质,都是在机械解理的样品上观察到。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许多不足,特别是制备效率低和样品尺寸小等问题,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。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。
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。由于二维材料层间是范德华相互作用,而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范德华相互作用,因此可以在衬底蒸镀金膜,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。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,可以高效实现悬空样品的制备,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,可以选择性地改变基底的导电和绝缘。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,形成绝缘性的金属岛,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。
来源:zhishexueshuquan 知社学术圈
原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwMjk1OTc2MA==&mid=2247502907&idx=1&sn=83d04ff46c59d0225553fd3b73f58c2f&chksm=96d432c4a1a3bbd2f4055c0945dacf78097369212d0103ae2fc6616e12cddbae73b64b349527#rd
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