[論文レビュー] Dry release transfer of graphene and few-layer h-BN by utilizing thermoplasticity of polypropylene carbonate for fabricating edge-contact-free van der Waals heterostructures

Kei Kinoshita, Rai Moriya+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2019

Graphene research and applications参考文献 44被引用数 23

ひとこと要約

本論文では、ポリプロピレンカーボネート（PPC）膜を用いた乾式リリース移動法を、グラフェンおよび少数層ヘキサゴナルボロンナイトライド（h-BN）に適用し、PPCの熱可塑性を活用して低汚染・エッジ接触フリーなファンデルワールスヘテロ構造を実現する。この手法により、最小限のポリマー残渣で高品質なヘテロ構造が作製可能であり、封止されたh-BN/グラフェン/h-BNおよび垂直トンネルデバイスの実証がなされた。

ABSTRACT

The dry release transfer of two-dimensional (2D) materials such as graphene, h-BN, and TMDs is a versatile method for fabricating high-quality van der Waals heterostructures. Up until now, polydimethylpolysiloxane (PDMS) sheets have been widely used for the dry release transfer of TMD materials. However, this method has been known to have limitations that make it difficult to transfer few-layer-thick graphene and h-BN because of the difficulty to fabricate these materials on PDMS. As an alternative method, we demonstrate the dry release transfer of single- and bi-layer graphene and few-layer h-BN in this study by utilizing poly(propylene) carbonate (PPC) films. Because of the strong adhesion between PPC and 2D materials around room temperature, we demonstrate that single- to few-layer graphene, as well as few-layer h-BN, can be fabricated on a spin-coated PPC film/290-nm-thick SiO2/Si substrate via the mechanical exfoliation method. In addition, we show that these few-layer crystals are clearly distinguishable using an optical microscope with the help of optical interference. Because of the thermoplastic properties of PPC film, the adhesion force between the 2D materials and PPC significantly decreases at about 70 °C. Therefore, we demonstrate that single- to few-layer graphene, as well as few-layer h-BN flakes, on PPC can be easily dry-transferred onto another h-BN substrate. This method enables a multilayer van der Waals heterostructure to be constructed with a minimum amount of polymer contamination. We demonstrate the fabrication of encapsulated h-BN/graphene/h-BN devices and graphene/few-layer h-BN/graphene vertical-tunnel-junction devices using this method. Since devices fabricated by this method do not require an edge-contact scheme, our finding provide a simples method for constructing high-quality graphene and h-BN-based van der Waals heterostructures.

研究の動機と目的

• 従来のPDMSベースの乾式リリース法では困難な少数層グラフェンおよびh-BNの移動を克服すること。
• 2次元材料ヘテロ構造におけるポリマー汚染を最小限に抑える移動技術の開発。
• ファンデルワールスヘテロ構造における電気的性能向上を目的としたエッジ接触フリーなデバイス作製の実現。
• ポリプロピレンカーボネート（PPC）の熱可塑性を活用し、2次元材料への可逆的接着とクリーンなリリースを実現すること。
• 高度な電子デバイスに適した高品質で封止されたヘテロ構造（例：h-BN/グラフェン/h-BNおよび垂直トンネルデバイス）の実現。

提案手法

• 290-nmのSiO2/Si基板上にスピンコーティングしたポリプロピレンカーボネート（PPC）膜を移動媒体として用いる。
• 単層および少数層のグラフェンおよびh-BNを、機械的移動により直接PPC/SiO2/Si基板上に剥離する。
• PPCは2次元材料と強い室温での接着性を示し、安定した移動フィルムの形成を可能にする。
• 約70 °CでPPCの熱可塑性が発現し、接着性が低下するため、2次元フラックの容易な乾式リリースが可能となる。
• エッジ接触スキームを用いずに、2次元材料を別のh-BN基板上へ直接移動可能である。
• 大気下での光学干渉対比により、PPC上に存在する少数層h-BNおよびグラフェンの明確な同定が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポリプロピレンカーボネート（PPC）は、少数層グラフェンおよびh-BNの効果的な乾式移動媒体として機能するか？
• RQ2 PPCの約70 °Cにおける熱可塑性転移が、2次元材料のクリーンで低汚染なリリースを可能にするか？
• RQ3 このPPCベースの移動法により、エッジ接触フリーなファンデルワールスヘテロ構造が作製可能か？
• RQ4 従来のPDMSベースの移動法と比較して、この手法がポリマー汚染をどの程度低減できるか？
• RQ5 h-BN/グラフェン/h-BNや垂直トンネルデバイスなどの高品質で封止されたヘテロ構造が実現可能か？

主な発見

• 単層から少数層のグラフェンおよび少数層h-BNが、最小限のポリマー残渣でPPCフィルムを用いて効果的に移動した。
• PPCと2次元材料の接着性は、約70 °Cで熱可塑性のため著しく低下し、クリーンなリリースが可能となった。
• 大気下での光学顕微鏡と干渉対比により、PPC上に存在する少数層h-BNおよびグラフェンの明確な同定が可能となった。
• エッジ接触スキームを用いずに、封止されたh-BN/グラフェン/h-BNヘテロ構造が作製可能であり、高品質な統合が確認された。
• 本手法を用いて、グラフェン/少数層h-BN/グラフェンの垂直トンネル接合デバイスが成功裏に実証された。
• 本手法により、最小限の汚染で多層ファンデルワールスヘテロ構造が作製可能となり、デバイス性能の向上が期待できる。