[發明專利]二維半導體材料高效應變柔性襯底及其制備方法

在審

• 申請號: 202210023131.6
• 申請日: 2022-01-10
• 公開（公告）號: CN114496806A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 劉明巖;萬逸;闞二軍;趙益彬
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01L21/463
• 分類號: H01L21/463;H01L21/683;H01L27/12;H01L29/24
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 劉海霞

本發明公開了一種二維半導體材料高效應變柔性襯底及其制備方法。所述方法先配置聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇溶液，并機械剝離制備薄層二維半導體材料，然后依次使用聚乙烯吡咯烷酮溶液和聚乙烯醇溶液對薄層二維半導體材料進行旋涂，最后使用膠水將柔性基底和旋涂后的SiO₂/Si基片粘貼在一起，靜置后將柔性基底與SiO₂/Si基片分離，得到二維半導體材料高效應變柔性襯底。本發明實現了襯底和二維半導體材料間的緊密粘連，避免在施加應變的過程中樣品發生滑移，將使用傳統方法施加的應變上限由2％提高到7％。

技術領域

本發明屬于應變調控二維半導體材料能帶結構與光電性質的領域，涉及一種二維半導體材料高效應變柔性襯底及其制備方法。

背景技術

機械應變可以調控材料的能帶結構，使得材料的光、聲、熱、力、電學等性質隨其能帶結構的改變發生顯著變化，這一工藝目前已經在傳統半導體加工和制造領域得到廣泛應用。尤其是在硅基芯片的制造中，應變硅技術已成為不可或缺的關鍵技術之一，在增加載流子遷移率、提升晶體管性能等方面發揮積極作用。但是對于三維材料來說，對其施加較大程度的應變以實現更大幅度的性能調控是比較困難的，這限制了應變技術在半導體材料領域的拓展。

二維材料獨特的原子級厚度和柔性特征，使其可以承受較之三維體相材料更大程度的應變，這就使得運用應變手段調控二維材料電子性質的策略變得極為有效，有利于高性能二維材料半導體器件的構筑與發展。

針對二維材料的應變工程技術，通常是指一種利用柔性襯底的彎曲使得黏附于襯底上表面的二維材料產生拉伸或壓縮形變的技術，不同于通過合金化等方法使材料產生應變的傳統應變硅技術(IEEE Trans.Electron Devices,2004,51,1790-1797；IEEEElectron Device Lett.,2004,25,191-193)，二維材料應變技術具有操作便捷、工藝簡單、對實驗設備要求低等優點。以新興的柔性二維半導體材料硒化銦(InSe)為例：通常，薄層硒化銦材料是通過機械剝離法制備出來的，傳統的應變施加方法常選用聚二甲基硅氧烷([C₂H₆OSi]_n，polydimethylsiloxane，PDMS)作為柔性基底。若直接借助PDMS媒介，從機械剝離后的膠帶上撕取薄層InSe，此時，薄層InSe將依靠微弱的范德瓦爾斯作用附著在PDMS上，隨后便可以通過彎曲或擠壓PDMS基底以達到拉伸或壓縮InSe的目的。但是，由于范德瓦爾斯相互作用是一種微弱的分子間作用力，通常比共價鍵合等分子內作用力弱得多，并且這種方法轉移的樣品，在其邊緣處與柔性襯底之間缺乏相互作用，因此，樣品與襯底之間的連接并不緊密。2020年，Zhao Qinghua等人，總結了使用傳統方法對二維材料施加應變所達到的實驗極限(Adv.Sci.,2020,7,2001645)。

常見的針對二維材料施加應變的方法，主要有熱膨脹法、探針壓痕法和機械彎曲法等。其中，熱膨脹法，是將材料置于不同溫度下，材料隨溫度變化發生晶格膨脹或收縮，由此研究晶體結構變化對于材料性能的影響。探針壓痕法，則是將材料置于原子力顯微鏡測試系統，探針下壓，給材料施加力，材料發生形變，由此研究材料在應變情形下的性質變化。上述兩種方法對于二維材料施加的應變較為均勻可控，但是仍然存在儀器設備要求高、運行環境嚴苛、器件集成兼容性差等缺點。機械彎曲法具有操作簡單方便、儀器設備要求低、應用前景好等優點，因此，機械彎曲法被寄予厚望，并得到了廣泛研究。

現有的機械彎曲法，需要先通過機械剝離步驟在膠帶上解理出二維薄層材料，比如，少層InSe樣品。隨后，使用PDMS柔性襯底直接撕取膠帶上的InSe，此時樣品將依靠范德瓦爾斯作用附著于PDMS柔性襯底上，通過彎曲PDMS柔性襯底，即可對樣品施加應變。但是，由于范德瓦爾斯作用較弱，并且在邊緣位置樣品和柔性襯底之間缺乏相互作用，因此，會存在實際施加的應變值較低、應變狀態下容易發生樣品/襯底的滑移等問題。