二维材料指的是由单原子层或几个原子层构成的晶体材料[1]。从2004年石墨烯发现之后，二维材料开始成为凝聚态物理研究的重点之一。而二维材料一般都有对应的体材料，虽然化学组成是相同的，但是实际上在光电性质上往往天差地别。就拿最常见的石墨烯来说，石墨烯比其体材料的载流子迁移率要大得多；同时单层石墨烯的拉曼峰的相对强度和展宽和石墨相比，也产生了巨大的变化。


本文以石墨烯为例子，主要介绍本实验室中制备二维材料并测量其电学性质的过程。


一、制备单层石墨烯


制备单层石墨烯使用全干法转移，全干法是从最初的透明胶带法改良而来的一种方法，其优点是干净，制备速度快。


实验室有两种石墨（见图1），一种是HOPG（Highly Oriented Pyrolytic Graphite，高定向热解石墨）。HOPG是一种新型高纯度碳,是热解石墨经高温高压处理后制得的一种新型石墨材料，其性能接近单晶石墨[2]。另外一种是天然石墨。现在实验室主要使用天然石墨进行单层石墨烯的制备。

图1：HOPG与天然石墨


首先，使用蓝胶（透明胶带的一种，黏性弱但是更加干净）粘附少许石墨烯样品，用蓝胶对粘数次之后蓝胶表面的样品慢慢就比较薄了，在样品数量达到不多不少的程度的时候（见图2），就可以进行下一步的操作了。

图2：粘上一些样品的蓝胶


硅片（表面有300nm的SiO2氧化层，见图3）接触蓝胶上的石墨烯，并且使用棉签轻轻按压石墨烯使其和硅片紧密接触，最终使硅片上粘附一定量的石墨烯。撕开蓝胶之后将硅片转移到显微镜下进行观察和寻找单层石墨烯（见图4）。

图3：硅片

    

图4：显微镜下寻找石墨烯单层样品


找到单层石墨烯之后，因为石墨烯本身导电性就很好，和普通的电极（Au，Al等）的肖特基接触基本可以忽略，只有欧姆接触，因此不需要额外制备中间电极，只需要直接接入金属电极就可以进行电学性质的测量。以后会具体讨论二维半导体材料（MoS2，In2Se3,CrBr3等）减小肖特基接触的问题。


二、微电极的制作


在单层石墨烯制备好之后，需要接入微电极进行电学性质的测量。


在单层石墨烯上制作微电极需要进行微纳加工才可以进行。制作微电极的基本流程见图5。

图5：微电极加工流程


第一步：旋涂。


在硅片上旋涂一层胶。一般涂胶用正胶（正胶就是曝光区域的胶在显影时溶解，负胶反之，未曝光的区域溶解）。根据所选的光刻胶以及你后续工艺的需要，我们做电极一般常用AZ6112正胶。设置匀胶机参数：预转速500r，时间是5s；转速4000r，时间30s。在匀胶机的作用下胶会均匀分布在硅片上。这样的条件下光刻胶的厚度大约1μm。


第二步：烘烤。


光刻胶旋涂完毕后接着是放在热板上烘烤增强光刻胶与硅片粘附力，防止光刻胶污染设备，实际操作中如果不烘烤硅片稍微磕碰光刻胶就会弥散。加热温度设置为100℃，时间为90s。


第三步：对准，曝光与显影。


掩膜板是一块玻璃，上面镀有反射层，而制作电极的地方（即光刻图案）没有反射层。将掩膜板上光刻图案刚好对准在石墨烯上之后，就可以进行曝光操作。曝光之后就是显影，掩膜板上电极所在区域的胶都会消失，就好像凹下去了一样，空出来的部分就用以放置电极（见图6）。

图6：显影后的电极位置


第四步：镀膜。


如果显影效果还不错，就开始镀膜。将显影后的样品放在电子束蒸发腔内，蒸发腔内有各种金属（Cr，Au，Al，Ti等），原理是使用高压电子束加热蒸发料，蒸发材料挥发后沉积到样品表面，这一步参数设置好后基本自动完成镀膜。我们一般先镀5nmCr再镀30nmAu。单独镀金的话金会发生团聚影响其相应的功能，先镀Cr的话可以增强其粘附性。


第五步：去胶。


镀完膜后就可以去胶。我们去胶一般就是将镀完膜的样品放在丙酮溶液中泡，只是这样用时很长，或者用超声大概5min基本就能将胶去掉，这时放在显微镜下你会看到和光刻板上的图案一样的镀了金属的电极。而其他地方的胶都会消失。


第六步：傍线。


傍线，就是用非常细的Al线一端接在样品微电极，一端接在自己加工的底座上。这样微电极就制备完了，之后就可以进行电学性质的测量。


三、电学性质的测量


在石墨烯的微电极制备好之后，接入导线和电压就可以进行电学性质的测量。


如图7，是石墨烯的三个电极，接入源表。栅极接入正电压或者负电压可以改变空穴或者电子的浓度，源极和漏极接入电压并测量电流可以得到石墨烯的伏安特性曲线。实验装置见图8。

图7：测量石墨烯伏安特性曲线器件示意图

图8：接入源极，栅极，漏极导线的实验器件


引用文献


[1]於逸骏,张远波,YUYi-Jun,等.从二维材料到范德瓦尔斯异质结[J].物理,2017,46(4):205-213.


[2]HOPG_互动百科