无光刻电接触方法用于基于机械剥离二维材料的光电和柔性器件

《Micromachines》：Lithography-Free Electrical Contact Method for Optoelectronic and Flexible Devices Based on Mechanically Exfoliated 2D Materials

　　

研究人员报告了一种基于银漆微操控（SPMM）的台面式、多功能且无光刻的电接触方法，用于二维（2D）材料与范德华（vdW）异质结。该方法在环境光学显微镜下操作，是一种加法、室温方法，避免了与电极制造中传统洁净室工艺相关的化学溶剂和高温。研究人员通过在刚性SiO₂/Si和柔性聚碳酸酯基底上基于高质量机械剥离薄片制造器件，验证了该策略的有效性。在刚性支撑上，SPMM接触的多层石墨烯器件表现出线性欧姆行为，具有数天的优异环境稳定性和双极性场效应。栅极可调的多层石墨烯/少层MoS₂/多层石墨烯场效应晶体管展示了n型栅控，双端载流子迁移率为 ，以及在660 nm和415 nm光照下的时间分辨光响应，在最低入射功率下响应度高达10 A/W。SPMM方法也可在聚碳酸酯等柔性聚合物基底上进行，这些基底在微加工中众所周知难以处理。研究人员展示了一种柔性多层石墨烯器件，在低形变下作为高响应压阻应变传感器，应变系数为50。最后，一个完全集成的柔性vdW光电探测器在高达1.2%的单轴拉伸应变下进行了测试。尽管MoS₂通道经历了局部微断裂，但局部vdW结保持了稳健的电荷收集，从而在拉伸应变下产生了光探测能力。这种简单且经济的电接触技术为基于2D材料和vdW异质结的下一代光电子和柔性电子器件的快速原型制作和机械测试建立了一个高度可访问的平台。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
二维（2D）材料如石墨烯（Gr）和过渡金属二硫族化物（TMDCs，如MoS₂和WSe₂）因其优异的电子、光学和力学性能，在下一代光电子和柔性电子领域备受关注。然而，传统电极制造依赖微加工和洁净室工艺，涉及高温烘烤、金属蒸镀和有机溶剂，不仅成本高昂、操作复杂，还与多数柔性聚合物基底（如聚碳酸酯PC、聚酰亚胺PI等）不兼容——这些聚合物易受热变形、化学溶胀或开裂。现有无光刻替代方案如物理掩模、直接微探针、自动直写印刷等，或需专用设备、或接触不稳定、或对热敏感基底不友好。因此，亟需一种简单、温和、低成本且兼容刚性/柔性基底的电接触方法，以推动2D器件的快速原型制备和力学测试。

**研究内容与结论**
研究人员提出并验证了一种基于银漆微操控（SPMM）的全新无光刻电接触方法，在光学显微镜下室温操作，完全规避了洁净室流程。通过该方法，在刚性SiO₂/Si和柔性聚碳酸酯基底上成功制备了多层石墨烯（ML Gr）器件、少层石墨烯（FL Gr）器件、多层石墨烯/少层MoS₂/多层石墨烯范德华（vdW）异质结构场效应晶体管（FET）、柔性压阻应变传感器及柔性光电探测器。实验表明：SPMM接触在多层石墨烯上形成线性欧姆接触，宽归一化接触电阻为（90±30）Ω·μm，与先进光刻电极相当；器件在环境空气中稳定超过8天（250小时）。vdW异质结FET表现出n型场效应，双端迁移率优于传统金属电极接触的MoS₂器件。在660 nm和415 nm光照下，光电探测器响应度最高达10 A/W，具有光栅效应和持久光电导特征。柔性多层石墨烯器件在低应变（±0.4%）下表现出高灵敏压阻响应（应变系数约50），且可逆；高应变下形成褶皱后，器件对进一步应变不敏感。柔性vdW光电探测器在1.2%单轴拉伸应变下仍维持光探测功能，尽管MoS₂通道出现微裂纹，但局部vdW结保持电荷收集能力。该工作于《Micromachines》发表，为2D材料和vdW异质结的快速原型制备及力学测试建立了高度可及的实验平台。

**关键技术方法**
研究人员采用机械剥离法从块状石墨（ProGraphite GmbH）和辉钼矿（葡萄牙Companheiro No. 1采石场）获得薄片，使用Nitto胶带和Gel-Film进行剥离，并通过干法确定性转移将薄片沉积到刚性SiO₂/Si（300 nm热氧化层）或柔性聚碳酸酯（0.25 mm厚）基底上。电接触制备采用银漆微操控（SPMM）：在光学显微镜下，用微操纵器引导金属探针将商业银漆（Ted Pella 16040-30快干银漆）液滴拉至2D材料边缘，形成永久性电极。对刚性基底器件，在室温固化后附加90°C退火30分钟。柔性器件的力学测试采用自建三点弯曲装置施加可控单轴应变。

**研究结果**
- **银漆微操控接触制备**：通过光学显微镜下的微探针操作，将银漆液滴引导至多层石墨烯或vdW异质结边缘，形成自然贴合的无损接触。该方法在刚性SiO₂/Si和柔性PC基底上均成功实现，且PC基底未出现化学溶胀或热变形。
- **多层石墨烯器件电学性能**：对厚度约9层和29层的石墨烯器件进行双端传输测试，转移特性显示双极性场效应，电荷中性点位于正栅压，归因于环境吸附掺杂。提取的双端迁移率约1000 cm2/V·s（典型值）。电流-电压曲线线性，表明欧姆接触，宽归一化接触电阻（90±30）Ω·μm（转移长度法，6个器件，通道厚度30-50 nm）。环境稳定性测试显示，器件在8天（250小时）内电流和线性度无显著退化。
- **vdW异质结场效应晶体管**：采用多层石墨烯/5层MoS₂/多层石墨烯垂直堆叠结构，电流-电压曲线随背栅电压从0 V增至20 V，电阻从960 kΩ降至14 kΩ，确认n型场效应导通。转移特性显示阈值电压接近0 V，开关比约3个数量级，提取的电子迁移率（约10 cm2/V·s）高于传统Au/Ti电极接触的MoS₂器件。存在顺时针迟滞，归因于环境吸附物和界面陷阱。
- **光电子性能**：在660 nm和415 nm光照下，器件表现出快速光电流上升和缓慢衰减，伴随持久光电导效应。响应度随入射功率降低而增大，最大超过10 A/W，呈亚线性幂律关系（指数α=0.5-0.6），归因于光栅效应和陷阱辅助复合。结果表明无光刻工艺保留了原始半导体和光电特性。
- **柔性基底上的应变传感**：多层石墨烯器件在PC基底上，低应变（±0.4%）下电流-电压线性，电阻变化可逆，应变系数GF=50。高应变（±2%）后，石墨烯通道形成垂直于应变轴的褶皱，使器件对进一步应变不敏感（0%与1%应变下电流-电压曲线重叠），实现了从高敏应变传感器到应变不变器件的切换。
- **柔性光电探测器**：基于ML Gr/4L MoS₂/ML Gr的vdW异质结构在PC上，1.2%拉伸应变下电流降低，但响应度从1.0 A/W增至1.5 A/W。显微镜照片显示ML石墨烯电极出现褶皱，4L MoS₂通道出现裂纹，但局部vdW结仍维持光开关响应和光电流产生，表明石墨烯介导接触在部分机械失效下仍能保持光电功能。

**总结与讨论**
研究人员通过银漆微操控实现了完全在洁净室外、室温、无溶剂条件下的2D材料及vdW异质结高端电子和光电器件制备。该方法在刚性SiO₂/Si和柔性PC基底上均验证了良好的欧姆接触、环境稳定性、场效应调制、高响应光探测和柔性压阻传感性能，且柔性器件在机械应变下仍能工作。该技术绕过了光刻和真空蒸镀，为2D材料研究提供了高度可及、低成本、快速原型制备的平台，将加速相关领域的实验探索。

**研究结论翻译**
在这项工作中，研究人员成功展示了基于机械剥离二维材料及其范德华异质结的先进电子和光电器件的实现，完全在洁净室环境之外，通过使用银漆微操控完成。通过将制造方法从光刻和真空金属蒸镀转移到一种可在实验室中轻松实现的台式技术，本文所展示的方法将加速基于二维材料器件的研究。