高精度定向转移二维材料的系统、方法和用途

1.本发明属于材料制备领域，具体而言，涉及高精度定向转移二维材料的系统、方法和用途。


背景技术：

2.自从发现石墨烯以来，具有不同组成与电子结构的二维层状材料引起了人们的高度兴趣。随着研究进程的推进，人们发现单种二维材料的性质往往难以满足工程需求，因此开始将目光投向材料的组合，希望能够取长补短，使之在工程方面有所应用。
3.范德华异质结为不同的二维原子层借助弱范德华力按选定顺序堆叠在一起，形成的具有原子级平整界面的人工异质结构，在基础探索与实际应用中具有巨大潜力，在场效应晶体管、光电探测和能量转换领域发挥着重要作用。例如，随着电子器件小型化，传统的硅基半导体器件已经接近性能极限，难以有进一步的发展，范德华异质结便开始作为通道材料来减少短沟道效应的影响，表现出优异的开关特性。再例如，金属电极与半导体材料之间的高肖特基势垒导致其接触电阻较大，通过特殊设计的范德华异质结垂直场效应晶体管则能够解决高接触电阻的问题。又例如，具有可调光电特性的二维材料种类繁多，通过将具有优异性能的二维材料结合，还能够实现高效光电转换，用于光电探测器、光采集设备和led领域，可以进一步拓展光电领域的应用。此外，范德华异质结还有助于实现能量转换，氢气是一种很有发展前景的未来能源，通常是通过电化学反应获得的，在这个过程中需要引入催化剂进行辅助高效的能量转化，当前二维范德华异质结则成为替代商业化pt基催化剂最有潜力的候选者。再者，层状材料间的二维通道能够提供足够的离子存储空间，但目前的二维材料还不能够满足离子金属电池的所有参数，而范德华异质结则能够综合所需的参数，推动离子金属电池的发展。
4.综上，二维材料异质结在基础研究与前沿探索的各个领域有极其重要的作用，它弥补了单一二维材料的缺点，扩大了二维材料的研究范围，因此，实现异质结的高品质制备对于开发新材料的独特电气、光电、机械和热性能至关重要。


技术实现要素：

5.本发明主要是基于以下问题和发现提出的：原则上，二维材料可以通过范德华力按所需顺序组装，但异质结构的实际制造并没有想象中容易。目前已有的范德华异质结制备方法包括物理堆叠、气相沉积、溶剂热合成以及同步演化的方法。物理堆叠是最为直观的一种异质结制备方法，只要获得能够满足转移条件的二维材料层，均可以通过堆叠获得所需的异质结。现有的二维材料越来越多，已有的异质结制备方法能够满足大面积的异质结制备，但材料制备后的器件加工工序繁琐，工期较长，十分影响研发效率。目前针对单个晶畴机械剥离的二维材料，面积往往在几微米到几十微米之间，位置随机分布，在转移的过程中难以实现精确定位，同时考虑器件制作的误差与测量时的失误，往往需要找到大量目标材料转移后进行制作；而现有的大面积转移方
法无法实现转角与在复杂器件制备上的高精度定位。因此急需一种能够实现二维材料的高精度定向转移的方法，以缩短器件制备的工序，提高研发效率。
6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出高精度定向转移二维材料的系统、方法和用途。该系统不仅结构简单，操作方便，还能够精确控制二维材料转移，实现高精度异质结的制备，在新型二维异质结电子器件设计加工领域具有重要应用前景。
7.在本发明的一个方面，本发明提出了一种转移二维材料的系统。根据本发明的实施例，所述转移二维材料的系统用于制备异质结，所述二维材料用于形成所述异质结，该系统包括：微米级切刀、微米级夹取装置、微米级探针；操作平台；显示装置；驱动装置，所述驱动装置与所述微米级切刀、所述微米级夹取装置、所述微米级探针相连；控制单元，所述控制单元与所述驱动装置和所述显示装置相连，且适于通过所述显示装置放大所述操作平台的操作画面和二维材料的位置，以及基于所述驱动装置执行以下操作：控制所述微米级切刀对位于所述操作平台上的二维材料进行切割、控制所述微米级夹取装置对二维材料进行转移、控制所述微米级探针对二维材料进行辅助定位。
8.根据本发明上述实施例的转移二维材料的系统，至少具有以下有益效果：1）设置控制单元、驱动装置、微米级切刀和微米级夹取装置，通过控制单元基于驱动装置实现微米级切刀对二维材料的切割以及微米级夹取装置对二维材料的转移，不仅有利于控制二维材料的选择自由度和尺寸精度，还能够实现对小尺寸二维材料，甚至单个晶畴二维材料的精确抓取，可以任意转移、搭接不同类型的各种二维材料，适用于制备不同类型及用途的异质结；2）设置微米级探针，通过控制单元基于驱动装置实现微米级探针对转移后二维材料的辅助定位，不仅可以通过微米级探针对转移后的二维材料进行水平移动或旋转，精确控制二维材料与第一基体的相对位置和相对转角，还可以基于微米级探针对转移后的二维材料进行定位，实现对二维材料的高精度的定向转移；3）该系统不仅结构简单，操作方便，具有微米级的空间移动精度，而且转移过程快速便捷，用于制备异质结时，可以有效提高异质结的品质和加工效率，且有利于简化后续相应器件的加工工艺，缩短器件的加工周期，提高研发效率。
9.另外，根据本发明上述实施例的转移二维材料的系统还可以具有如下附加的技术特征：在本发明的一些实施例中，所述微米级探针包括第一探针和第二探针，所述驱动装置包括第一驱动装置和第二驱动装置，所述第一驱动装置与所述微米级切刀和所述第一探针可拆卸相连，所述第二驱动装置与所述微米级夹取装置和所述第二探针可拆卸相连。
10.在本发明的一些实施例中，所述微米级切刀的刀刃宽度不大于1μm。
11.在本发明的一些实施例中，所述微米级夹取装置的尖端宽度不大于10μm。
12.在本发明的一些实施例中，所述微米级探针的尖端宽度不大于2μm；在本发明的一些实施例中，所述驱动装置对所述二维材料进行转移的空间精度不
大于1μm，转角精度不大于0.5
°
。
13.在本发明的一些实施例中，所述操作平台包括可旋转区和沿所述可旋转区周向设置的固定区，所述可旋转区和所述固定区的其中一个上设有刻度盘、另一个设有定位参照标识，所述刻度盘沿所述可旋转区的周向设置。
14.在本发明的一些实施例中，所述显示装置包括显微镜和显示屏，所述显示屏与所述显微镜相连并适于显示所述显微镜的成像区。
15.在本发明的一些实施例中，所述控制单元还包括操作界面，所述控制单元适于通过所述操作界面选择或编辑待执行的操作程序。
16.在本发明的再一个方面，本发明提出了一种采用上述系统转移二维材料的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：（1）将第一基体和承载有二维材料的第二基体分别放置于转移平台上，利用控制单元通过驱动装置控制微米级切刀对所述二维材料进行切割，以便得到待转移的二维材料；（2）利用所述控制单元通过所述驱动装置控制微米级夹取装置将所述待转移的二维材料转移至所述第一基体上；（3）利用所述控制单元通过所述驱动装置控制微米级探针对位于所述第一基体上的所述二维材料进行辅助定位，并结合显示装置观察所述二维材料与所述第一基体的相对位置，完成二维材料的转移，以便得到异质结。
17.该方法具有上述转移二维材料的系统的所有特征及效果，此处不再赘述。总的来说，该方法不仅工艺简单，加工效率高，而且可以提高二维材料的选择自由度和尺寸精度，实现对二维材料的高精度的定向转移，提高异质结的品质和加工效率。
18.在本发明的一些实施例中，所述承载有二维材料的第二基体通过以下方法得到：（i）将所述二维材料置于第二基体表面上，并在所述二维材料上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯溶液，直至将所述二维材料完全覆盖；（ii）对所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液进行固化处理。
19.在本发明的一些实施例中，步骤（i）中，预先对所述第二基体表面进行清洗，再将所述二维材料置于所述第二基体表面上。
20.在本发明的一些实施例中，步骤（i）中，所述涂覆为旋涂，所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液的浓度为4wt%~18wt%，旋涂的转速为1000r/min~3000r/min、时间为1min~3min在本发明的一些实施例中，步骤（ii）中，所述固化处理的温度为130℃~170℃、时间为8min~12min。
21.在本发明的一些实施例中，所述二维材料的转移后还包括：去除所述二维材料表面的所述聚甲基丙烯酸甲酯。
22.在本发明的一些实施例中，步骤（i）中，所述清洗包括等离子体清洗。
23.在本发明的一些实施例中，在衬底上生长所述二维材料，并通过机械剥离法和/或腐蚀分离法将所述二维材料转移至所述第二基体的表面上。
24.在本发明的又一个方面，本发明提出了上述系统和/或上述方法在制备异质结领域中的用途。该用途具有上述系统和上述方法所有的特征及效果，此处不再赘述。
25.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
26.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本发明一个实施例的转移二维材料的系统结构示意图；图2是根据本发明再一个实施例的转移二维材料的系统结构示意图；图3是根据本发明一个实施例的操作平台的结构示意图；图4是根据本发明又一个实施例的转移二维材料的系统结构示意图；图5是根据本发明一个实施例的转移二维材料的方法流程图；图6是根据本发明实施例1的切割后ws2显微镜图像；图7是根据本发明实施例1的切割后mos2显微镜图像；图8是根据本发明实施例1的mos2/金属电极/硅片的显微镜图像；图9是根据本发明实施例1的微米级探针对ws2/mos2叠加结构辅助定位的显微镜图像；图10是根据本发明实施例1的定位后的ws2/mos2异质结显微镜图像；图11是根据本发明实施例1的去除聚甲基丙烯酸甲酯的ws2/mos2异质结显微镜图像；图12是根据本发明实施例2的石墨烯、hbn、石墨烯/hbn异质结显微镜图像，其中图12中（a）为石墨烯的显微镜图像，图12中（b）为hbn的显微镜图像，图12中（c）为石墨烯/hbn异质结的显微镜图像；图13是根据本发明实施例2的石墨烯/hbn异质结的拉曼光谱曲线。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
28.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“相连”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。
29.在本发明的一个方面，本发明提出了一种转移二维材料的系统。根据本发明的实
施例，该系统用于制备异质结，二维材料用于形成异质结。结合图1理解，该系统包括：微米级切刀10、微米级夹取装置20、微米级探针30、操作平台40、显示装置50、驱动装置60、控制单元70，驱动装置60与微米级切刀10、微米级夹取装置20、微米级探针30相连，控制单元70与驱动装置60和显示装置50相连，且适于通过显示装置50放大操作平台40的操作画面和二维材料的位置，以及基于驱动装置60执行以下操作：控制微米级切刀10对位于操作平台40上的二维材料进行切割、控制微米级夹取装置20对二维材料进行转移、控制微米级探针30对二维材料进行辅助定位。
30.根据本发明上述实施例的转移二维材料的系统，至少具有以下有益效果：1）设置控制单元、驱动装置、微米级切刀和微米级夹取装置，通过控制单元基于驱动装置实现微米级切刀对二维材料的切割以及微米级夹取装置对二维材料的转移，不仅有利于控制二维材料的选择自由度和尺寸精度，还能够实现对小尺寸二维材料，甚至单个晶畴二维材料的精确抓取，可以任意转移、搭接不同类型的各种二维材料，适用于制备不同类型及用途的异质结；2）设置微米级探针，通过控制单元基于驱动装置实现微米级探针对转移后二维材料的辅助定位，不仅可以通过微米级探针对转移后的二维材料进行水平移动或旋转，精确控制二维材料与第一基体的相对位置和相对转角，还可以基于微米级探针对转移后的二维材料进行定位，实现对二维材料的高精度的定向转移；3）该系统不仅结构简单，操作方便，具有微米级的空间移动精度，而且转移过程快速便捷，用于制备异质结时，可以有效提高异质结的品质和加工效率，且有利于简化后续相应器件的加工工艺，缩短器件的加工周期，提高研发效率。
31.可以理解的是，结合图1理解，本发明的实施例中，控制单元70可以通过驱动装置60控制微米级切刀10、微米级夹取装置20或微米级探针30沿操作平台40的水平方向和竖直方向移动。例如，根据本发明的一些实施例，结合图1理解，微米级切刀10、微米级夹取装置20和微米级探针30可以分别独立地与驱动装置60可转动相连，由此不仅更方便通过驱动装置控制微米级切刀10、微米级夹取装置20和微米级探针30沿操作平台40的水平方向和竖直方向移动，提高转移精度和可控性，还有利于实现该系统的小型化和便携性。
32.根据本发明的一些实施例，结合图2理解，微米级探针30可以包括第一探针31和第二探针32，第一探针31和第二探针32可以与二维材料接触并对使其进行移动或旋转，例如，在实际操作过程中，以转移至第一基体上的二维材料为例，可以将第一探针和第二探针分别与二维材料相对的两侧接触，使其进行水平移动或旋转，由此更有利用对二维材料和第一基体的相对位置进行精准调控，降低实际转移效果与预期要求之间的差距。进一步地，驱动装置60可以包括第一驱动装置61和第二驱动装置62，第一驱动装置61可以分别与微米级切刀10和第一探针31可拆卸相连，第二驱动装置62可以分别与微米级夹取装置20和第二探针32可拆卸相连，其中，第一驱动装置可以包括两个不同的驱动路径，基于该两个驱动路径可以同时且分别独立地实现对微米级切刀和第一探针的移动控制，也可以仅具有一个驱动路径，基于该驱动路径实现对微米级切刀或第一探针的移动控制；相应地，第二驱动装置也可以包括两个不同的驱动路径，基于该两个驱动路径可以同时且分别独立地实现对微米级夹取装置和第二探针的移动控制，也可以仅具有一个驱动路径，基于该驱动路径实现对微米级夹取装置或第二探针的移动控制。例如，作为一个具体示例，第一驱动装置和第二驱动装置均可以仅具有一个驱动路径，此时在对二维材料进行切割和转移的过程中，可以先将
第一探针31和第二探针32拆卸，使第一驱动装置61与微米级切刀10相连、第二驱动装置62与微米级夹取装置20相连，在控制单元的控制下实现对二维材料的切割和夹取转移；在二维材料转移至第一基体之后，再将微米级切刀10和微米级夹取装置20拆卸，使第一驱动装置61与第一探针31相连、第二驱动装置62与第二探针32相连，驱动装置在控制单元的控制下控制利用微米级探针（包括第一探针31和第二探针32）实现对二维材料的辅助定位。通过上述设置，不仅更有利于实现微米级切刀10和微米级夹取装置20，以及第一探针31和第二探针32的相互配合，提高二维材料的转移效率和可控性，还不会显著增大该系统的体积，使得该系统具有较好的灵活性。
33.根据本发明的一些实施例，结合图1~2理解，微米级切刀10的刀刃宽度可以不大于1μm，例如，微米级切刀10的刀刃宽度可以不大于1μm、0.8μm、0.6μm、0.5μm、0.4μm等，由此更方便对二维材料进行精准切割，实现对不同类型的二维材料任意转移或搭接。
34.根据本发明的一些实施例，结合图1~2理解，微米级夹取装置20的尖端宽度可以不大于10μm，例如，微米级夹取装置20的尖端宽度可以不大于10μm、8μm、6μm、5μm、4μm等，由此更方便对切割后的小尺寸二维材料进行精准夹取和转移。
35.根据本发明的一些实施例，结合图1~2理解，微米级探针的尖端宽度可以不大于2μm，例如，微米级探针的尖端宽度可以不大于2μm、1.8μm、1.6μm、1.5μm、1.3μm、1.2μm、1μm等，由此可以提高微米级探针对转移后的二维材料进行水平移动或旋转的精度，更有利于控制二维材料与第一基体的相对位置和相对转角。
36.根据本发明的一些实施例，结合图1~2理解，驱动装置30对二维材料进行转移的空间精度可以不大于1μm，转角精度可以不大于0.5
°
，例如空间精度可以不大于1μm、0.9μm、0.8μm、0.7μm、0.6μm、0.5μm等，转角精度可以不大于0.5
°
、0.4
°
、0.3
°
、0.2
°
、0.1
°
等，由此可以精准控制二维材料与第一基体的相对位置和相对角度，实现二维材料的高精度定向转移，有利于制备得到不同功能和组成的高品质新型二维异质结。
37.根据本发明的一些实施例，结合图3理解，操作平台40可以包括可旋转区41和沿可旋转区41周向设置的固定区42，可旋转区41和固定区42的其中一个上可以设有刻度盘、另一个可以设有定位参照标识（如箭头等），刻度盘可以沿可旋转区41的周向设置。将二维材料转移至第一基体上时，可以预先将第一基体和切割后的二维材料中的其中一个置于可旋转区内，结合可旋转区的旋转调整第一基体和切割后的二维材料的相对位置和相对转角，来提高转移效率和效果，降低实际转移效果与预期要求之间的差距。例如，在实际操作过程中，可以将第一基体放置于可旋转区41表面，通过微米级切刀10对二维材料进行切割后，利用微米级夹取装置20夹取待转移的二维材料，使该二维材料高于操作平台或位于可旋转区的区域外，控制可旋转区41的转动，通过待转移的二维材料和第一基体的相对转动，调整第一基体与待转移二维材料的相对位置和相对转角，使二者的相对位置和角度达到预设要求后，再将待转移二维材料转移至第一基体表面，后续可以进一步利用控制单元通过微米级探针对二维材料进行微调（平移或旋转），实现二维材料的精准定位。通过设置沿可旋转区41周向设置的固定区42和相对设置的刻度盘和参照标识，可以进一步提高可旋转区的旋转精度，不仅有助于精确控制二维材料与第一基体的相对转角，还可以降低操作难度，提高转移效率。
38.根据本发明的一些实施例，结合图1~4理解，显示装置可以包括显微镜51和显示屏
52，显示屏52与显微镜51相连并适于显示显微镜51的成像区，由此，可以将显微镜所呈现的操作平台的操作画面和二维材料的位置进一步放大，更方便操作人员的观察以及对二维材料的高精度转移。
39.根据本发明的一些实施例，结合图1~4理解，控制单元70还可以包括操作界面（未示出），控制单元70可以通过操作界面选择或编辑待执行的操作程序，实现人机交互。
40.在本发明的再一个方面，本发明提出了一种采用上述系统转移二维材料的方法。根据本发明的实施例，结合图5理解，该方法包括：s100：将第一基体和承载有二维材料的第二基体分别放置于转移平台上，利用控制单元通过驱动装置控制微米级切刀对所述二维材料进行切割，以便得到待转移的二维材料；根据本发明的实施例，结合图1理解，将第一基体和承载有二维材料的第二基体分别放置于转移平台40上，利用控制单元70通过驱动装置60控制微米级切刀10对二维材料进行切割，得到所需尺寸的待转移二维材料。其中，本发明对第一基体和第二基体的具体类型均没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如第一基体和第二基体均可以分别独立地选自硅片、玻璃、pdms柔性材料中的一种，可选地，第一基体和第二基体均可以为硅片，硅片不仅方便观察二维材料的位置和形貌，而且来源广泛，成本较低。
41.根据本发明的一些实施例，承载有二维材料的第二基体可以通过以下方法得到：（i）将二维材料置于第二基体表面上，并在二维材料上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯溶液，直至将二维材料完全覆盖；（ii）对聚甲基丙烯酸甲酯溶液进行固化处理。利用聚甲基丙烯酸甲酯固定二维材料，不仅更方便对二维材料进行切割、转移和定位，还有利于避免或降低转移过程中二维材料损伤的风险，实现二维材料的高效无损转移。
42.根据本发明的一些实施例，在将二维材料置于第二基体表面上之前，可以预先对第二基体表面进行清洗，通过对第二基体表面进行清洗，可以去除第二基体表面的油污等杂质，提高与第二基体分离后的二维材料的表面质量。需要说明的是，本发明中对第二基体表面进行清洗的具体方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如可以采用等离子体清洗等，通过采用等离子清洗的方式，可以对第二基体表面具有较好的清洗效果和清洗效率。
43.根据本发明的一些实施例，可以先在衬底上生长上述二维材料，然后再将上述二维材料转移至第二基体的表面，对第二基体上的二维材料进行切割和转移操作。发明人发现，生长有二维材料的衬底与二维材料之间的结合力较强，采用夹取装置对切割后的小尺寸二维材料进行转移时，难以将小尺寸二维材料完整地剥离其生长衬底，影响转移二维材料的分离效果和品质，而提前将较大尺寸的二维材料从生长衬底转移至第二基体上，无需考虑二维材料的转移精度，采用常规的二维材料分离手段，便可以实现较好的转移效果。因此，本发明通过将先二维材料从其生长衬底转移至第二基体的表面，再对第二基体表面的二维材料进行转移，有利于在转移时实现二维材料与第二基体的分离，不仅可以提高二维材料的转移品质，还可以提高转移效率。进一步地，根据本发明的一些具体示例，将上述二维材料从衬底转移至第二基体的表面上的方式可以采用机械剥离法和/或腐蚀分离法等，其中，机械剥离法是指借助胶带反复粘撕衬底表面的二维材料后粘贴在第二基体上，加热撕去胶带后在第二基体上得到二维材料，具有方便快捷的特点；腐蚀分离法是指利用腐蚀
液腐蚀二维材料与衬底之间的接触区域，从而将二维材料从其生长衬底转移至第二基体的表面，腐蚀分离法有利于实现对二维材料的完整分离，适用于各种不同种类衬底生长的二维材料，具有较高的普适性，其中，针对不同的衬底可以选用不同类型的腐蚀液，例如sio2衬底可以选用氢氟酸腐蚀液，金衬底可以选用fecl3腐蚀液，al2o3衬底可以选用2mol/l浓度的koh/naoh溶液等。需要说明的是，本发明中对于在衬底上生长上述二维材料的具体方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如可以采用化学气相沉积法等。
44.根据本发明的一些实施例，本发明中对于在二维材料上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯溶液的具体方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如可以将聚甲基丙烯酸甲酯溶液旋涂在二维材料远离第二基体的一侧上，采用旋涂的方式，不仅可控性较强，而且更有利于得到涂覆厚度均匀的涂层。进一步地，本发明中对于聚甲基丙烯酸甲酯溶液的浓度以及对应的旋涂转速和时间也没有特别限制，例如，根据本发明的一些具体示例，可以采用浓度为4wt%~18wt%的聚甲基丙烯酸甲酯溶液，控制旋涂的转速可以为1000r/min~3000r/min、时间可以为1min~3min。需要说明的是，若采用的聚甲基丙烯酸甲酯溶液的浓度较大，旋涂转速也可以适当增大，以便得到均匀涂层。
45.根据本发明的一些实施例，对聚甲基丙烯酸甲酯溶液进行固化处理的温度可以为130℃~170℃，例如可以为140℃、150℃、160℃等，时间可以为8min~12min，例如可以为9min、10min、11min等，由此可以在使得聚甲基丙烯酸甲酯固化充分的同时，缩短加工时间，提高转移效率。
46.s200：利用控制单元通过驱动装置控制微米级夹取装置将待转移的二维材料转移至第一基体上根据本发明的实施例，结合图1理解，利用控制单元70通过驱动装置60控制微米级夹取装置20对切割后的待转移二维材料进行夹取并使其与第二基体分离，再通过微米级夹取装置的移动，将该部分二维材料转移至第一基体上。需要说明的是，第一基体可以为纯基体，如硅片等，也可以表面承载有另一二维材料，当第一基体表面承载有二维材料时，可以将待转移的二维材料转移至第一基体所承载的二维材料之上，再经过后续的辅助定位，制备得到异质结。
47.s300：控制单元通过驱动装置控制微米级探针对位于第一基体上的二维材料进行辅助定位，并结合显示装置观察二维材料与第一基体的相对位置，完成二维材料的转移，以便得到异质结根据本发明的实施例，结合图1理解，将二维材料置于第一基体上后，利用控制单元70通过驱动装置60控制微米级探针30对位于第一基体上的二维材料进行辅助定位，可以包括对二维材料的平移、转动以及位置校准等，并结合显示装置50观察二维材料与第一基体的相对位置，直至使该二维材料位于指定区域，以便实现二维材料的定向转移或转角转移或实现定向异质结转移或转角异质结转移。
48.根据本发明的一些实施例，当二维材料表面覆盖有聚甲基丙烯酸甲酯时，在二维材料转移之后，还可以包括：去除二维材料表面的聚甲基丙烯酸甲酯。需要说明的是，本发明中对于聚甲基丙烯酸甲酯的去除方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如可以采用丙酮对聚甲基丙烯酸甲酯进行清洗，等等。
49.综上，该方法具有上述转移二维材料的系统的所有特征及效果，此处不再赘述。总的来说，该方法不仅工艺简单，加工效率高，而且可以提高二维材料的选择自由度和尺寸精度，实现对二维材料的高精度的定向转移，提高异质结的品质和加工效率。
50.在本发明的又一个方面，本发明提出了上述系统和/或上述方法在制备异质结领域中的用途。该用途具有上述系统和上述方法所有的特征及效果，此处不再赘述。
51.下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
52.实施例1（1）分别将cvd生长的单层二硫化钨（ws2）和单层二硫化钼（mos2）采用腐蚀分离法与其生长衬底分离，然后分别将单层ws2和单层mos2转移至等离子清洗后的两个硅片上，采用匀胶机将聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）苯甲醚溶液均匀旋涂在单层ws2/硅片和单层mos2/硅片表面，使用热台对pmma苯甲醚溶液进行固化处理，固化温度为150℃，固化时间为10分钟；利用转移二维材料的系统（结合图1理解），分别将pmma/单层ws2/硅片和pmma/单层mos2/硅片这两个样品放置于转移平台40上，利用控制单元70通过驱动装置60控制微米级切刀10对所选二维材料进行切割，切割后可以得到单层的二维材料，通过显微镜观察到的切割后的ws2图像如图6所示，切割后的mos2图像如图7所示；（2）结合图1理解，利用控制单元70通过驱动装置60控制微米级夹取装置20将切割得到的mos2结合pmma转移至带有金属电极的硅片上，采用丙酮对mos2表面的聚甲基丙烯酸甲酯进行清洗，得到mos2/金属电极/硅片，通过显微镜观察到清洗后的图像如图8所示；（3）结合图1理解，利用控制单元70通过驱动装置60控制微米级夹取装置20将切割得到的ws2（如图6所示）转移到mos2/金属电极/硅片（如图8所示）上，利用控制单元70通过驱动装置60控制微米级探针30对转移后的ws2进行辅助定位（平移或转动），并结合显示装置50观察mos2与ws2的相对位置，通过显示装置观察到的图像如图9所示，待ws2位于指定位置后，控制单元70通过驱动装置60控制微米级探针30移开，观察到的ws2/mos2异质结图像如图10所示；（4）采用丙酮对ws2/mos2异质结表面的聚甲基丙烯酸甲酯进行清洗，得到ws2/mos2异质结器件，通过显示装置观察到的制得的ws2/mos2异质结图像如图11所示。
53.结合显示装置的观察进一步说明，采用本发明实施例的转移二维材料的系统，能够改善二维材料的转移精准度。
54.实施例2（1）分别将二维材料单层石墨烯和二维材料氮化硼（hbn）采用机械剥离法与其生长衬底分离，然后分别将单层石墨烯和hbn分别置于经等离子清洗后的两个硅片上，采用匀胶机将聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）苯甲醚溶液均匀旋涂在hbn/硅片表面，使用加热台对pmma苯甲醚溶液进行固化处理，固化温度为150℃，固化时间为10分钟；利用转移二维材料的系统（结合图1理解），分别将单层石墨烯/硅片和pmma/hbn/硅片放置于转移平台40上，利用控制单元70通过驱动装置60控制微米级切刀10对pmma/hbn/硅片进行切割，切割后可以得到待转移的hbn二维材料，如图12中（b）所示，单层石墨
烯/硅片的图像如图12中（a）所示；（2）结合图1理解，利用控制单元70通过驱动装置60控制微米级夹取装置20将切割得到待转移的hbn结合pmma转移至承载有石墨烯的硅片上，得到上层hbn下层石墨烯的叠加结构；（3）结合图1理解，利用控制单元70通过驱动装置60控制微米级探针30对转移后的hbn进行辅助定位（平移或转动），并结合显示装置50观察hbn与石墨烯的相对位置，待hbn位于指定位置后，控制单元70通过驱动装置60控制微米级探针30移开；（4）采用丙酮对hbn/石墨烯异质结表面的聚甲基丙烯酸甲酯进行清洗，得到hbn/石墨烯异质结，如图12中（c）所示。
55.对制得的石墨烯/hbn异质结进行拉曼光谱测试，测得的曲线如图13所示，曲线中的峰分别对应石墨烯和hbn的特征峰，由此可以表明采用该方法对石墨烯进行了有效转移，制得了石墨烯/hbn异质结；另外，结合显示装置的观察进一步说明，采用本发明实施例的转移二维材料的系统，能够得到较高精度的石墨烯/hbn异质结。
56.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
57.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种转移二维材料的系统，其特征在于，所述转移二维材料的系统用于制备异质结，所述二维材料用于形成所述异质结，所述系统包括：微米级切刀、微米级夹取装置、微米级探针；操作平台；显示装置；驱动装置，所述驱动装置与所述微米级切刀、所述微米级夹取装置、所述微米级探针相连；控制单元，所述控制单元与所述驱动装置和所述显示装置相连，且适于通过所述显示装置放大所述操作平台的操作画面和二维材料的位置，以及基于所述驱动装置执行以下操作：控制所述微米级切刀对位于所述操作平台上的二维材料进行切割、控制所述微米级夹取装置对二维材料进行转移、控制所述微米级探针对二维材料进行辅助定位。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微米级探针包括第一探针和第二探针，所述驱动装置包括第一驱动装置和第二驱动装置，所述第一驱动装置与所述微米级切刀和所述第一探针可拆卸相连，所述第二驱动装置与所述微米级夹取装置和所述第二探针可拆卸相连。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，满足下列条件中的至少之一：所述微米级切刀的刀刃宽度不大于1μm；所述微米级夹取装置的尖端宽度不大于10μm；所述微米级探针的尖端宽度不大于2μm；所述驱动装置对所述二维材料进行转移的空间精度不大于1μm，转角精度不大于0.5
°
。4.根据权利要求1~3中任一项所述的系统，其特征在于，所述操作平台包括可旋转区和沿所述可旋转区周向设置的固定区，所述可旋转区和所述固定区的其中一个上设有刻度盘、另一个设有定位参照标识，所述刻度盘沿所述可旋转区的周向设置。5.根据权利要求1~3中任一项所述的系统，其特征在于，所述显示装置包括显微镜和显示屏，所述显示屏与所述显微镜相连并适于显示所述显微镜的成像区；和/或，所述控制单元还包括操作界面，所述控制单元适于通过所述操作界面选择或编辑待执行的操作程序。6.一种采用权利要求1~5任一项所述的系统转移二维材料的方法，其特征在于，包括：（1）将第一基体和承载有二维材料的第二基体分别放置于转移平台上，利用控制单元通过驱动装置控制微米级切刀对所述二维材料进行切割，以便得到待转移的二维材料；（2）利用所述控制单元通过所述驱动装置控制微米级夹取装置将所述待转移的二维材料转移至所述第一基体上；（3）利用所述控制单元通过所述驱动装置控制微米级探针对位于所述第一基体上的所述二维材料进行辅助定位，并结合显示装置观察所述二维材料与所述第一基体的相对位置，完成二维材料的转移，以便得到异质结。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述承载有二维材料的第二基体通过以下方法得到：（i）将所述二维材料置于第二基体表面上，并在所述二维材料上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯溶液，直至将所述二维材料完全覆盖；（ii）对所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液进行固化处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，满足下列条件中的至少之一：步骤（i）中，预先对所述第二基体表面进行清洗，再将所述二维材料置于所述第二基体表面上；步骤（i）中，所述涂覆为旋涂，所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液的浓度为4wt%~18wt%，旋涂的转速为1000r/min~3000r/min、时间为1min~3min；步骤（ii）中，所述固化处理的温度为130℃~170℃、时间为8min~12min；所述二维材料的转移后还包括：去除所述二维材料表面的所述聚甲基丙烯酸甲酯。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤（i）中，所述清洗包括等离子体清洗；和/或，在衬底上生长所述二维材料，并通过机械剥离法和/或腐蚀分离法将所述二维材料转移至所述第二基体的表面上。10.权利要求1~5中任一项所述的系统和/或权利要求6~9中任一项所述的方法在制备异质结领域中的用途。

技术总结
本发明公开了高精度定向转移二维材料的系统、方法和用途。该转移二维材料的系统用于制备异质结，二维材料用于形成异质结，该系统包括：微米级切刀、微米级夹取装置、微米级探针、操作平台、显示装置、驱动装置、控制单元，驱动装置与微米级切刀、微米级夹取装置、微米级探针相连；控制单元与驱动装置和显示装置相连，且适于通过显示装置放大操作平台的操作画面和二维材料的位置，以及基于驱动装置执行以下操作：控制微米级切刀对位于操作平台上的二维材料进行切割、控制微米级夹取装置对二维材料进行转移、控制微米级探针对二维材料进行辅助定位。该系统结构简单，操作方便，能够精确控制二维材料转移，实现高精度异质结的制备。实现高精度异质结的制备。实现高精度异质结的制备。


技术研发人员：王海东 罗旭雯
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.08.17
技术公布日：2023/9/20