[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种用于石墨烯/六方氮化硼（h-BN）的全干式PMMA转移方法，利用加热/冷却系统消除PMMA残留。通过利用聚合物（PMMA/PDMS）与二维材料（石墨烯/h-BN）之间的热膨胀系数失配，热循环可诱导机械剥离PMMA，从而实现清洁、无残留的界面，这对高质量范德华异质结构至关重要。

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.

研究动机与目标

• 消除转移后石墨烯上的PMMA残留，以避免其在二维范德华异质结构中降低界面质量。
• 开发一种无溶剂的转移工艺，以在转移过程中保持二维材料的完整性。
• 实现对清洁界面区域的清晰识别，以支持高性能异质结构器件的制造。
• 提供一种可推广的方法，适用于石墨烯和h-BN以外的多种二维层状材料。

提出的方法

• 使用加热/冷却系统对PMMA涂层的石墨烯/h-BN多层结构进行热循环。
• PMMA与无机二维材料之间的热膨胀系数失配在冷却过程中产生机械应力。
• 冷却时，PMMA的收缩程度大于其下方的二维材料，从而实现聚合物的机械剥离。
• 该过程避免使用溶剂，确保石墨烯表面无PMMA残留。
• 该方法采用无溶剂的干法工艺，将石墨烯转移到h-BN衬底上。
• 该技术利用聚合物与二维材料之间热收缩率的差异，实现干净的剥离。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否开发一种无溶剂的PMMA转移方法，以完全消除二维材料上的残留聚合物？
• RQ2 热循环如何利用热膨胀系数差异实现干法PMMA去除？
• RQ3 该方法能否在石墨烯与h-BN之间形成清洁、无残留的界面，以实现高质量异质结构？
• RQ4 该方法是否可推广至石墨烯和h-BN以外的其他二维层状材料？
• RQ5 该工艺是否能在器件制造过程中实现对清洁界面区域的可靠识别？

主要发现

• 加热/冷却工艺成功在无溶剂条件下从石墨烯上去除PMMA，未检测到任何残留物。
• 该方法实现了石墨烯与h-BN之间清洁界面区域的清晰识别。
• 热循环由于PMMA与二维材料之间显著不同的热膨胀系数，诱导了机械剥离。
• 该技术可适用于多种二维层状材料，不限于石墨烯/h-BN。
• 通过避免溶剂暴露，该工艺保持了二维异质结构的结构与电子质量。
• 该方法促进了高质量范德华异质结构的制备，且界面污染极少。