[論文レビュー] Fully dry PMMA transfer of graphene on h-BN using a heating/cooling system

Teerayut Uwanno, Yoshiaki Hattori+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2015

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、PMMA残渣を除去するための完全にドライなPMMA転写法を、加熱/冷却システムを用いて、グラフェンと六方窒化硼 (h-BN) の間で開発した。PMMAと2次元材料（グラフェン/h-BN）の熱膨張率の違いを活用することで、熱サイクリングが機械的剥がれを引き起こし、クリーンで残渣のない界面を実現する。これは、高品質なファンデルワールスヘテロ構造に不可欠である。

ABSTRACT

The key to achieve high-quality van der Waals heterostructure devices made of stacking various two-dimensional (2D) layered materials lies in the clean interface without bubbles and wrinkles. Although polymethylmethacrylate (PMMA) is generally used as a sacrificial transfer film due to its strong adhesion property, it is always dissolved in the solvent after the transfer, resulting in the unavoidable PMMA residue on the top surface. This makes it difficult to locate clean interface areas. In this work, we present a fully dry PMMA transfer of graphene onto h-BN using a heating/cooling system which allows identification of clean interface area for high quality graphene/h-BN heterostructure fabrication. The mechanism lies in the utilization of the large difference in thermal expansion coefficients between polymers (PMMA/PDMS) and inorganic materials (graphene/h-BN substrate) to mechanically peel off PMMA from graphene by the thermal shrinkage of polymers, leaving no PMMA residue on the graphene surface. This method can be applied to all types of 2D layered materials.

研究の動機と目的

• 2次元ファンデルワールスヘテロ構造における界面品質の低下を引き起こす、転写後のグラフェン上に残るPMMAを除去すること。
• 2次元材料の完全な整合性を保ちながら、溶媒を一切使用しない転写プロセスを開発すること。
• 高性能ヘテロ構造デバイスのためのクリアな界面領域の特定を可能にすること。
• グラフェンとh-BNにとどまらず、さまざまな2次元層状材料へ汎用可能な手法を提供すること。

提案手法

• PMMA被膜を施したグラフェン/h-BNスタックを加熱/冷却システムで熱サイクリングする。
• PMMAと無機的2次元材料の間で熱膨張率の違いが生じ、冷却時に機械的応力が発生する。
• 冷却によりPMMAが下層の2次元材料よりも大きく収縮し、ポリマーの機械的剥がれが可能になる。
• 溶媒を一切使用しないため、グラフェン表面にPMMA残渣が残らない。
• この手法は、ドライで溶媒を用いないアプローチにより、h-BN基板上にグラフェンを転写する際に適用された。
• この技術は、ポリマーと2次元材料の熱収縮率の差を活用して、クリーンな剥離を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 溶媒を一切使用しないPMMA転写法を開発し、2次元材料上に残留ポリマーを完全に除去できるか？
• RQ2 熱サイクリングが、熱膨張率の違いをどのように活用してドライなPMMA除去を可能にするか？
• RQ3 この手法により、グラフェンとh-BNの間でクリーンで残渣のない界面を実現できるか？
• RQ4 この手法は、グラフェンとh-BNにとどまらず、他の2次元層状材料へも一般化可能か？
• RQ5 このプロセスにより、デバイスの作製段階でクリアな界面領域を信頼性高く特定できるか？

主な発見

• 加熱/冷却プロセスにより、溶媒を一切使用せずにPMMAがグラフェンから完全に除去され、検出可能な残留物は一切残らなかった。
• この手法により、グラフェンとh-BNの間のクリアな界面領域の特定が可能になった。
• 熱サイクリングにより、PMMAと2次元材料間の熱膨張率の著しい差異が原因で、機械的剥がれが誘発された。
• この技術は、グラフェン/h-BNに限らず、さまざまな2次元層状材料へも適用可能である。
• 溶媒にさらされないため、2次元ヘテロ構造の構造的および電子的品質が保持された。
• このアプローチにより、界面汚染を最小限に抑えた高品質なファンデルワールスヘテロ構造の作製が可能になった。