[논문 리뷰] 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 Moriya외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 27.

Graphene research and applications참고 문헌 44인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 폴리프로필렌 카보네이트(PPC) 필름을 사용하여 그래핀과 소수층의 헥사곤형 질화붕소(h-BN)를 건식 이송하는 방법을 제시한다. PPC의 열가소성 특성을 활용해 낮은 오염도와 가장자리 접촉이 없는 반데르발스 이종구조를 실현한다. 이 방법은 최소한의 고분자 잔류물로 고품질의 이종구조를 제작할 수 있으며, 봉착된 h-BN/그래핀/h-BN 및 수직 터널링 장치를 통해 이를 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 PDMS 기반 건식 이송 방법으로 소수층 그래핀과 h-BN를 이송하는 데서 발생하는 한계를 극복하기 위해.
• 2차원 물질 이종구조에서 고분자 오염을 최소화하는 이송 기술을 개발하기 위해.
• 반데르발스 이종구조에서 전기적 성능을 향상시키기 위해 가장자리 접촉이 없는 장치 제작을 가능하게 하기 위해.
• 폴리프로필렌 카보네이트(PPC)의 열가소성 특성을 활용해 2차원 물질의 가역적 고착 및 깔끔한 이탈을 실현하기 위해.
• 고품질의 봉착된 이종구조, 예를 들어 h-BN/그래핀/h-BN 및 수직 터널링 장치와 같은 고급 전자 소자를 위한 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 290-nm 두께의 SiO2/Si 기판 위에 스플린코팅한 폴리프로필렌 카보네이트(PPC) 필름을 이송 매체로 사용한다.
• 단일층 및 소수층 그래핀과 h-BN는 기계적 이송을 통해 직접 PPC/SiO2/Si 기판 위로 기계적으로 분리한다.
• PPC는 2차원 물질에 대해 높은 실온에서의 고착력을 보이며, 안정적인 이송 필름 형성을 가능하게 한다.
• 약 70 °C에서 PPC의 열가소성 특성이 발현되어 고착력이 감소하여 2차원 플레이트를 목표 기판 위로 쉽게 건식 이탈시킬 수 있다.
• 이 방법은 가장자리 접촉 기법 없이도 다른 h-BN 기판 위로 2차원 물질을 직접 이송할 수 있다.
• 환경 조건에서의 광학 간섭 대비를 통해 PPC 위의 소수층 h-BN 및 그래핀을 명확히 식별할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 폴리프로필렌 카보네이트(PPC)는 소수층 그래핀과 h-BN의 효과적인 건식 이송 매체로 기능할 수 있는가?
• RQ2 약 70 °C에서의 PPC의 열가소성 전이가 2차원 물질의 깔끔하고 낮은 오염도의 이탈을 가능하게 하는가?
• RQ3 이 PPC 기반 이송 방법을 통해 가장자리 접촉이 없는 반데르발스 이종구조를 제작할 수 있는가?
• RQ4 기존의 PDMS 기반 이송 방법에 비해 이 방법이 고분자 오염을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ5 h-BN/그래핀/h-BN 및 수직 터널링 장치와 같은 고품질의 봉착된 이종구조를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 단일층에서 소수층의 그래핀과 소수층의 h-BN는 최소한의 고분자 잔류물로 PPC 필름을 통해 성공적으로 이송되었다.
• 2차원 물질과 PPC 사이의 고착력은 약 70 °C에서 열가소성 거동에 의해 크게 감소하여 깔끔한 이탈이 가능해졌다.
• 환경 조건에서의 광학 현미경과 간섭 대비를 통해 PPC 위의 소수층 h-BN 및 그래핀을 명확히 식별할 수 있었다.
• 봉착된 h-BN/그래핀/h-BN 이종구조는 가장자리 접촉 기법 없이 제작되었으며, 고품질의 통합이 확인되었다.
• 이 방법을 통해 그래핀/소수층 h-BN/그래핀 수직 터널링 접합 장치가 성공적으로 구현되었다.
• 이 방법은 낮은 오염도로 다층 반데르발스 이종구조를 제작할 수 있으며, 장치 성능 향상 잠재력을 높였다.