用于实现磁电阻与电流-电压表征的剥离杂化体系反向制备方法

《Physchem》：Reversed Fabrication Approach for Exfoliated Hybrid Systems Enabling Magnetoresistance and Current-Voltage Characterisation

　　

摘要：针对二维材料（如拓扑绝缘体或过渡金属二硫属化物）的研究表明，此类材料展现出独特性质，包括高电荷载流子迁移率和可调带隙，因而对下一代电子器件具有吸引力。其中部分材料（如HfSe₂）还具备随厚度变化的带隙工程能力。然而，标准器件制备工艺常引入工艺污染，从而降低器件性能。本文提出了一种改进的机械剥离技术——反向结构化工艺（Reversed Structuring Procedure, RSP），能够实现基于二维微米片的杂化体系制备，并改善界面清洁度与接触质量。对Bi₂Se₃和HfSe₂器件的霍尔效应测量证实了电学性能的提升，包括测得总电阻的降低。研究人员还提出了一种新型星形电极结构（Star-Shaped Electrode Structure, SSES），可在同一器件内实现精确霍尔测量并探索几何磁电阻效应。这种双用途几何构型增强了灵活性，并展示了所提出制备方法的更广泛功能。上述结果验证了反向结构化工艺作为一种稳健且多功能的实验室测试平台方法的有效性，适用于制造技术尚不兼容CMOS的新型层状材料的电子应用。

**论文解读：基于反向结构化工艺的二维材料杂化器件制备与电学表征研究**

**1. 研究背景与问题提出**

二维（2D）材料凭借其可调电子性质与带隙工程便利性，已成为下一代电子器件的重要候选材料体系。自石墨烯被发现以来，拓扑绝缘体（TIs）与过渡金属二硫属化物（TMDs）等二维材料家族不断扩展，在传感器平台及混合电子器件中展现出广阔应用前景。理论预测室温下石墨烯的载流子迁移率可达3000–10000 cm2/(V·s)，Bi₂Se₃为2412 cm2/(V·s)，HfSe₂为3500 cm2/(V·s)。与半金属性的石墨烯不同，TIs和TMDs的电子性质高度依赖于层数，随厚度增加可发生半导体至半金属的转变。

机械剥离法因操作简便、无需专用设备而成为制备二维薄片的主要手段。然而，胶带粘附力、转移压力、剥离速度及环境暴露时间等参数会显著影响转移薄片的尺寸、质量与清洁度。残留污染物（如胶粘剂残留）会严重降低接触质量，制约器件电学性能的提升。尽管已有基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或金属转移层的改进方案，但污染物的彻底去除与表面本征性质的保持仍是重大挑战。表面杂质与缺陷不仅劣化电学性能，还会降低金属接触的机械稳定性。因此，开发一种能够最大限度减少表面污染与结构缺陷的剥离及转移工艺，对于二维材料器件的发展至关重要。

**2. 研究内容与意义**

针对上述问题，研究人员提出了一种改进的反向结构化工艺（Reversed Structuring Procedure, RSP），并系统比较了其与传统标准结构化工艺（Standard Structuring Procedure, SSP）在器件性能上的差异。研究选取了Bi₂Se₃（拓扑绝缘体）和HfSe₂（过渡金属二硫属化物）两类具有不同电荷输运机制的层状材料，利用商业高质量单晶（由HQ Graphene提供，采用化学气相沉积法生长）进行机械剥离制备微米片。该研究的意义在于：RSP方法通过反转器件制备顺序（先制备电极、后转移薄片），有效降低了转移相关污染和大气暴露时间，尤其适用于表面化学活性较强的层状材料（如HfSe₂）。同时，研究人员将星形电极结构（SSES）与RSP结合，实现了在同一器件中进行霍尔效应测量和几何磁电阻（gMR）效应探索的双重功能，为新型层状材料的实验室测试平台建设提供了可行方案。该论文发表于《Physchem》。

**3. 主要技术方法**

研究采用了以下关键技术方法：（1）机械剥离法，利用粘附胶带从块体单晶中逐层剥离制备二维薄片；（2）标准结构化工艺（SSP），先在基底上沉积薄片作为底部有源沟道，再通过光刻与直流磁控溅射制备金属电极；（3）反向结构化工艺（RSP），先在绝缘基底上制备电极系统，再通过水溶性波峰焊胶带转移薄片至电极顶部，实现顶部有源沟道构型；（4）霍尔效应测量系统（Linseis HCS-1），在室温及固定磁场（B=0.57 T）下表征器件电学参数；（5）几何磁电阻（gMR）测量，通过改变不同端子的电流-电压连接配置，分析磁场依赖的电阻变化；（6）采用铟锑化物（InSb）薄膜参考样品，系统评估SSES电极几何对霍尔测量精度的影响并建立几何修正系数。

**4. 研究结果**

**4.1 SSP与RSP制备器件性能对比**

研究人员分别采用SSP和RSP方法制备了基于Bi₂Se₃和HfSe₂的霍尔结构。RSP制备的器件在总电阻方面显著低于SSP器件。对于Bi₂Se₃，RSP器件的总电阻约为SSP器件的5.0%；对于HfSe₂，该比值为6.8%。上述结果表明RSP方法能够有效改善电极-薄片界面质量，降低接触电阻。特别是对于表面易氧化的HfSe₂材料，RSP的优势更为明显。性能提升归因于更清洁的电极-薄片界面、更短的大气暴露时间以及通过机械压制形成的更有效的边缘接触。

**4.2 SSES几何对霍尔测量的影响**

研究人员利用均匀的InSb薄膜（1 μm厚，闪蒸沉积在半绝缘砷化镓（i-GaAs）衬底上）制备了不同几何构型的测试结构，包括点接触（PC）、四端子（4T）和十二端子SSES配置。通过系统比较不同配置下的霍尔电压和电阻测量值，研究确定了两种类型的几何修正系数：PC/4T系数（反映基础电极尺寸的影响）和4T/SSES系数（反映辅助电极的电流分流影响）。结果表明，PC/4T系数随电极与有源层尺寸比值的增大而增大，而4T/SSES系数仅取决于SSES几何构型本身，与有源层尺寸无关。应用几何修正后，Bi₂Se₃微米片霍尔电压和电阻的测量精度分别提高了约23%和27%，对应的载流子迁移率和面密度的确定精度提升约12%和13%。

**4.3 gMR效应研究**

利用SSES结构的多种端子配置，研究人员在Bi₂Se₃微米片-金属杂化体系中观察到了特征性的几何磁电阻效应。在非对称连接配置下（如BD15、BD27、BDAC），当电压端子向某一电流端子对称靠近时，gMR值呈现特征性增加，表现出对端子几何构型的依赖关系。这一行为与混合金属-半导体结构及金属-石墨烯、金属-Bi₂Se₃体系中的超大磁电阻效应研究结果一致。在SSES结构中，辅助电极充当了金属分流器的角色，磁场引起电流路径改变，从而产生gMR效应。

**5. 讨论与结论**

讨论部分指出，二维材料接触的形成比传统三维半导体更具挑战性。通过金属/二维材料界面的肖特基势垒，电荷载流子注入效率会受到影响。RSP方法通过将微米片压入电极来促进边缘接触的形成，减少了损伤概率，改善了接触质量和载流子注入效率。对于InSb参考实验，SSES结构中辅助电极的存在会导致电流在接触边缘周围损失，但该影响与有源层尺寸无关。研究结论表明：RSP方法通过反转制备顺序，先形成电极系统再转移有源微米片，显著简化了制备流程，减少了大气暴露时间与转移相关污染，从而降低了器件总电阻并提高了载流子迁移率。对于HfSe₂这类化学性质活泼的层状材料，上述改善尤为显著。将SSES与RSP集成进一步扩展了器件功能，其多点测量能力增强了对电荷输运性质研究的灵活性，同时支持霍尔效应表征和gMR现象研究。在非对称连接配置下观察到的gMR响应展示了该设计在混合磁传感系统中的潜在应用价值。总体而言，RSP与SSES的结合不仅简化了制造流程，还改善了物理界面并扩展了测量能力，为基于二维材料的新型传感器和纳电子器件应用奠定了实验基础。