實驗室的日常：二維材料的製備與電學性質的測量

二維材料指的是由單原子層或幾個原子層構成的晶體材料[1]。從2004年石墨烯發現之後，二維材料開始成為凝聚態物理研究的重點之一。而二維材料一般都有對應的體材料，雖然化學組成是相同的，但是實際上在光電性質上往往天差地別。就拿最常見的石墨烯來說，石墨烯比其體材料的載流子遷移率要大得多；同時單層石墨烯的拉曼峰的相對強度和展寬和石墨相比，也產生了巨大的變化。

本文以石墨烯為例子，主要介紹本實驗室中製備二維材料並測量其電學性質的過程。

一．製備單層石墨烯n

製備單層石墨烯使用全乾法轉移，全乾法是從最初的透明膠帶法改良而來的一種方法，其優點是乾淨，製備速度快。

實驗室有兩種石墨（見圖1），一種是HOPG（Highly Oriented Pyrolytic Graphite，高定向熱解石墨）。HOPG是一種新型高純度碳,是熱解石墨經高溫高壓處理後製得的一種新型石墨材料，其性能接近單晶石墨[2]。另外一種是天然石墨。現在實驗室主要使用天然石墨進行單層石墨烯的製備。

圖1：HOPG與天然石墨

首先，使用藍膠（透明膠帶的一種，黏性弱但是更加乾淨）粘附少許石墨烯樣品，用藍膠對粘數次之後藍膠表面的樣品慢慢就比較薄了，在樣品數量達到不多不少的程度的時候（見圖2），就可以進行下一步的操作了。

圖2：粘上一些樣品的藍膠

矽片（表面有300nm的SiO2氧化層，見圖3）接觸藍膠上的石墨烯，並且使用棉簽輕輕按壓石墨烯使其和矽片緊密接觸，最終使矽片上粘附一定量的石墨烯。撕開藍膠之後將矽片轉移到顯微鏡下進行觀察和尋找單層石墨烯（見圖4）。

圖3：矽片

圖4：顯微鏡下尋找石墨烯單層樣品

找到單層石墨烯之後，因為石墨烯本身導電性就很好，和普通的電極（Au，Al等）的肖特基接觸基本可以忽略，只有歐姆接觸，因此不需要額外製備中間電極，只需要直接接入金屬電極就可以進行電學性質的測量。以後會具體討論二維半導體材料（MoS2，In2Se3,CrBr3等）減小肖特基接觸的問題。

二．微電極的製作n

在單層石墨烯製備好之後，需要接入微電極進行電學性質的測量。

在單層石墨烯上製作微電極需要進行微納加工才可以進行。製作微電極的基本流程見圖5。

圖5：微電極加工流程

第一步：旋塗。

在矽片上旋塗一層膠。一般塗膠用正膠（正膠就是曝光區域的膠在顯影時溶解，負膠反之，未曝光的區域溶解）。根據所選的光刻膠以及你後續工藝的需要，我們做電極一般常用AZ6112正膠。設置勻膠機參數：預轉速500r，時間是5s；轉速4000r，時間30s。在勻膠機的作用下膠會均勻分布在矽片上。這樣的條件下光刻膠的厚度大約1μm。

第二步：烘烤。

光刻膠旋塗完畢後接著是放在熱板上烘烤增強光刻膠與矽片粘附力，防止光刻膠污染設備，實際操作中如果不烘烤矽片稍微磕碰光刻膠就會彌散。加熱溫度設置為100℃，時間為90s。

第三步：對準，曝光與顯影。

掩膜板是一塊玻璃，上面鍍有反射層，而製作電極的地方（即光刻圖案）沒有反射層。將掩膜板上光刻圖案剛好對準在石墨烯上之後，就可以進行曝光操作。曝光之後就是顯影，掩膜板上電極所在區域的膠都會消失，就好像凹下去了一樣，空出來的部分就用以放置電極（見圖6）。

圖6：顯影后的電極位置

第四步：鍍膜。

如果顯影效果還不錯，就開始鍍膜。將顯影后的樣品放在電子束蒸發腔內，蒸發腔內有各種金屬（Cr，Au，Al，Ti等），原理是使用高壓電子束加熱蒸發料，蒸發材料揮發後沉積到樣品表面，這一步參數設置好後基本自動完成鍍膜。我們一般先鍍5nmCr再鍍30nmAu。單獨鍍金的話金會發生團聚影響其相應的功能，先鍍Cr的話可以增強其粘附性。

第五步：去膠。

鍍完膜後就可以去膠。我們去膠一般就是將鍍完膜的樣品放在丙酮溶液中泡，只是這樣用時很長，或者用超聲大概5min基本就能將膠去掉，這時放在顯微鏡下你會看到和光刻板上的圖案一樣的鍍了金屬的電極。而其他地方的膠都會消失。

第六步：傍線。

傍線，就是用非常細的Al線一端接在樣品微電極，一端接在自己加工的底座上。這樣微電極就製備完了，之後就可以進行電學性質的測量。

三．電學性質的測量

在石墨烯的微電極製備好之後，接入導線和電壓就可以進行電學性質的測量。

如圖7，是石墨烯的三個電極，接入源表。柵極接入正電壓或者負電壓可以改變空穴或者電子的濃度，源極和漏極接入電壓並測量電流可以得到石墨烯的伏安特性曲線。實驗裝置見圖8。

圖7：測量石墨烯伏安特性曲線器件示意圖

圖8：接入源極，柵極，漏極導線的實驗器件

引用文獻

[1] 於逸駿, 張遠波, YUYi-Jun,等. 從二維材料到范德瓦爾斯異質結[J]. 物理, 2017, 46(4):205-213.

[2]HOPG_互動百科

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