有才！溶液中简单“泡一泡”，发了一篇Nature！

电荷“推开”材料，范德华材料无损转移新突破！

在半导体产业追求更小、更快、更节能的道路上，范德华（vdW）材料被寄予厚望。这类原子级薄的二维材料，既可作为前端的超缩放沟道材料，也能在硅基 CMOS 芯片背端实现三维集成。然而，一个关键瓶颈始终存在：这些材料通常无法直接在目标基底上生长，必须依赖“转移”步骤。但现有转移技术要么需要化学刻蚀，导致材料或基底损伤；要么过程复杂、成本高昂，难以满足工业化大规模应用的需求。如何在保持完整性、清洁度和速度的同时实现大面积转移，一直是困扰科研界和产业界的难题。

在此，麻省理工学院（MIT）的孔敬教授、Xudong Zheng和王江涛提出了一种全新的静电斥力（EDL）转移策略。通过利用氨水中形成的电双层斥力，他们成功实现了二维材料从生长基底上的快速、洁净、无刻蚀分离。这一方法不仅普适性强、成本低，而且完全兼容现有 CMOS 工艺。更重要的是，所转移的材料在器件中展现出接近理论极限的电学性能，甚至实现了业界纪录的1.3 mA μm⁻¹超高电流输出。这为未来基于 vdW 材料的三维集成电路打开了真正可行的产业化通道。相关成果以“Electrostatic-repulsion-based transfer of van der Waals materials”为题发表在《Nature》上，第一作者为Xudong Zheng, 王江涛和Jianfeng Jiang为共同一作。

电荷斥力，让材料“自己掉下来”

研究团队灵感来自胶体化学中的双电层效应。当材料表面浸入溶液后会带电，并吸引反离子形成“双电层”。如果两者表面带有相同电荷，靠近时便会因溶液中离子的渗入而产生强烈的静电斥力（图1a）。作者发现，在 pH≈12 的浓氨溶液中，常见基底（SiO₂、蓝宝石、氮化硅、铜等）以及各类 vdW 材料（石墨烯、MoS₂、WSe₂、hBN、碳纳米管等）表面都带负电（图1b）。这意味着，它们之间天然存在普适的斥力。于是，研究人员只需将长在基底上的二维材料连同支撑层浸入氨水，材料就会在数秒内自行剥离（图1e）。比如一块 1×1 cm 的 WSe₂ 薄膜，不到 5 秒即可完全脱离（图1d）。这种方法无需酸碱刻蚀，不会引入离子污染，也不会破坏基底，还能实现从单晶到多晶、从氧化物到金属等多种体系的转移（图1c）。团队甚至成功转移了在石英基底上定向排列的碳纳米管，这是以往最难处理的对象之一。更令人兴奋的是，这一方法还能与干法贴合结合，实现多层堆叠。通过反复剥离与贴合，研究人员组装出规则角度的 MoS₂ 多层结构（图1f），展示了其在构筑异质结和三维器件中的潜力。

图1：EDL 转移的基本原理与应用范围。

为什么能剥离？力学机制揭晓

那么，材料为何会“自动掉下来”？团队用经典 DLVO 理论结合实验揭示了机制：在氨水环境下，材料与基底之间的作用力由三部分构成——范德华吸引力、短程的水合排斥力以及长程的电双层斥力（图2a）。一旦氨水从边缘渗入界面，首先是水合斥力撑开极小的缝隙；随后，负电荷表面与反离子形成的电双层产生持续而强烈的斥力，彻底战胜范德华吸引力，使材料整体剥离。实验进一步验证了这一点。当二氧化硅凝胶放入氨水中，会迅速膨胀扩散，速度高达 300 mm/s，而在 KOH 或 NH₄Cl 溶液中则毫无反应（图2b-c）。此外，调节溶液离子强度或 pH 都会显著改变剥离速度：离子浓度越高，斥力越弱（图2d-e）；pH 越低，表面电势减弱，剥离速率也下降（图2f-g）。这些结果与理论计算高度吻合。与传统 KOH 刻蚀相比，EDL 转移几乎不损伤基底。对比实验表明，氨水处理后的 SiO₂ 基底厚度与粗糙度几乎不变，而 KOH 处理则会严重腐蚀（图2h-i）。因此，基底可以重复使用：在蓝宝石基底上多次生长和转移 MoS₂，仍能保持单晶取向（图2j-m），这对降低制造成本意义重大。

图2：EDL 转移的力学机制与基底复用。

更干净的材料，更可靠的器件

相比现有方法，EDL 转移带来的二维材料表面更加“干净”。在以往转移中，常见问题包括裂纹、皱褶、聚合物残留以及金属离子污染（图3a）。但在 EDL 方法下，这些缺陷大大减少。比如用氨水处理的 MoS₂，几乎看不到裂纹和微皱褶（图3b）；聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）支撑层在氨水中不会被破坏，因此残留极少（图3c），经过简单退火便能得到接近原子级洁净的界面（图3d）。同时，由于不引入 Na⁺、K⁺ 等离子，避免了意外掺杂。拉曼光谱显示，KOH 转移的 MoS₂ 掺杂不均匀，而 EDL 转移样品则均匀且缺陷极少（图3e-f）。对碳纳米管的测试也表明，EDL 转移不会产生 D 峰（缺陷峰），说明结构完整性得到很好保留。

图3：材料表征对比

电学性能：接近理论极限

最直观的体现，来自器件性能。研究团队基于 MOCVD 生长的单层 MoS₂ 制备了场效应晶体管（FET），发现其亚阈值摆幅（SS）仅 65.9 mV/dec，几乎达到理论极限 60 mV/dec，滞后电压仅 7 mV（图4b-c）。这意味着界面极为清洁，几乎不存在陷阱态。在短沟道器件中，EDL 转移样品展现出超高驱动电流：Ni 电极下电流密度达 570 μA μm⁻¹，若换成 Bi 电极，更是达到惊人的 1.3 mA μm⁻¹（图4d,h）。这是迄今为止 MoS₂ 晶体管的最高纪录，代表着二维半导体器件性能的极限。更令人欣慰的是，这一方法的良率达 100%。研究人员在两批共 300 个器件中，全部正常工作（图4e）。相比之下，传统 KOH 转移样品的性能波动极大，良率低下（图4f-g）。这充分说明 EDL 方法不仅提升单个器件性能，更保证了规模化制造的稳定性。

图4：器件电学性能

总结与展望

本研究提出的 EDL 静电斥力转移技术，突破了传统刻蚀转移的诸多限制：快速、无损、普适、低成本，并实现了近乎完美的器件性能。更关键的是，氨水作为半导体工业常用清洗液，工艺兼容性极强，这意味着该方法具备立即落地产业的潜力。未来，研究人员展望将 EDL 与自动化真空贴合等工艺结合，进一步实现高通量、无气泡、大面积的三维集成制造。正如作者所言：“这一方法不仅是科研上的突破，更可能成为二维材料产业化的‘临门一脚’。”或许在不久的将来，我们就能在高性能芯片、柔性电子和三维集成电路中看到它的身影。

来源：高分子科学前沿

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