通过APCVD（原子层化学气相沉积）和湿法转移技术可控制备石墨烯/WSe?垂直异质结构，用于高性能场效应晶体管

《Applied Surface Science》：Controlled fabrication of graphene/WSe 2 vertical heterostructures via APCVD and wet transfer for high-performance field-effect transistors

石墨烯/硒化钨异质结通过大气压化学气相沉积与PMMA辅助湿转移协同制备，实现垂直叠层及清洁界面。场效应晶体管显示p型导电、开关比超10^5及1.8 cm2/V·s迁移率，验证该策略在二维异质结可控组装中的有效性。

　　

杨家琪|陈玉春|窦福良|崔继钊|夏毅|李军|田媛|李东晨

河北工业大学理学院，天津 300401，中国

摘要

石墨烯/WSe₂（Gr/WSe₂）异质结构因其互补的电子特性、机械柔韧性和在下一代电子及光电子器件中的潜在应用而备受关注。在这项工作中，我们报告了一种结合常压化学气相沉积（APCVD）生长和PMMA辅助湿法转移的策略，用于构建具有干净界面和良好结构均匀性的垂直Gr/WSe₂异质结构。光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱证实了连续石墨烯薄膜和少层WSe₂结构的形成，以及异质结构的成功堆叠。在这些异质结构上制备的场效应晶体管表现出p型导电性，其开/关电流比超过10⁵，室温下的有效场效应迁移率约为1.8 cm²V^-1s^-1。所提出的CVD-湿法转移协同方法为构建高质量二维（2D）异质结构提供了一种可控且可重复的方法，为先进的电子和光电子应用提供了有前景的平台。

引言

异质结构是许多现代电子和逻辑设备的基础[1]，[2]。随着晶体管尺寸的不断缩小，短通道效应越来越影响设备性能，这促使人们寻找新的材料和器件架构来支持下一代技术[3]。在这一背景下，二维材料因其独特的电学、机械和化学性质而受到持续关注。

石墨烯是第一种被分离出的单原子层材料，它具有极高的载流子迁移率、机械强度和热导率[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，这些特性使其能够集成到场效应晶体管、透明电极和传感设备中。然而，其固有的零带隙从根本上限制了其在半导体和光电子系统中的应用。为了克服这一限制，研究人员探索了其他具有可调带隙的二维半导体，以补充石墨烯的特性。其中，过渡金属硫属化合物（TMDCs）如WSe₂因其优异的半导体特性而脱颖而出[10]，[11]。WSe₂具有间接到直接的带隙转变，已被广泛用于光电探测器和光伏器件中，这得益于其带隙可调性和化学稳定性。

尽管石墨烯和WSe₂各自具有优势，但它们也各自存在固有的限制——最显著的是石墨烯的零带隙和WSe₂在室温下的相对较低的载流子迁移率。这些限制推动了将这两种材料结合形成Gr/WSe₂异质结构的努力[12]，[13]，[14]，[15]。已经探索了多种制备方法，包括直接CVD生长[1]，[16]，机械剥离[17]，[18]，基于转移的堆叠[19]，以及范德华外延[20]，[21]，[22]。例如，Lin等人通过范德华外延实现了高质量的WSe₂/外延石墨烯异质结构，尽管生长速率控制仍然具有挑战性[23]。Tang等人通过图案化CVD生长展示了石墨烯/WSe₂横向异质结构，但与工艺复杂性和掺杂均匀性相关的问题仍然存在[24]。此外，Huet等人通过金属-有机化学气相沉积（MOCVD）直接在石墨烯上生长WSe₂，实现了干净的界面，尽管仍需提高生长的可重复性和界面质量[25]。尽管取得了这些进展，但在开发一种既可控又可重复的Gr/WSe₂异质结构制备方法方面仍面临实际挑战，同时需要避免复杂的原位生长条件和有限的可扩展性。

在这项工作中，我们采用了一种逐步的制备策略，结合APCVD生长和PMMA辅助的湿法转移堆叠过程来构建垂直Gr/WSe₂异质结构。基于这些异质结构的器件表现出10⁵的开/关电流比，证明了这种制备路线在产生干净、定义明确的界面方面的有效性。这种方法为构建Gr/WSe₂异质结构提供了一种实用且可重复的途径，同时允许每种组成材料在其各自优化的条件下生长，为之前报道的直接生长方法提供了可行的替代方案。

部分内容摘录

石墨烯的制备

石墨烯是通过使用500 μm厚的W箔和250 μm厚的Cu箔（Alfa Aesar）通过APCVD合成的。Cu箔被切割成0.5 × 0.5 cm²的块，用丙酮、异丙醇和去离子水进行超声清洗，然后放置在W箔上并装入石英舟中。抽真空后，引入H₂/Ar混合气体（25/175 sccm），温度在55分钟内升至1100℃，退火20分钟，然后通入CH₄（1 sccm）20分钟。通过关闭CH₄并自然冷却来终止生长。

结果与讨论

图2通过光学显微镜、SEM和拉曼光谱展示了石墨烯、WSe₂以及Gr/WSe₂异质结构的结构特征。光学显微照片（图2a-c）显示SiO₂/Si上的单层石墨烯颜色均匀、表面光滑，除了少数受损区域，表明转移成功且污染最小。WSe₂薄片呈现规则的三角形形状，平均横向尺寸约为30 μm，对比度均匀，表明是少层结构。

结论

总之，我们展示了一种使用APCVD生长结合PMMA辅助湿法转移过程来控制制备垂直Gr/WSe₂异质结构的方法。通过光学显微镜、SEM和拉曼光谱的结构表征证实，在少层WSe₂上形成了单层、表面干净的石墨烯薄膜。所得到的场效应晶体管表现出p型导电性，其开/关电流比超过10⁵，显示出优异的性能

CRediT作者贡献声明

杨家琪：撰写——原始草稿，研究，正式分析，数据管理，概念化。陈玉春：。窦福良：。崔继钊：研究。夏毅：研究。李军：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，验证，监督，项目管理，研究，资金获取，正式分析，数据管理。田媛：项目管理，研究。李东晨：项目管理，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了河北省S&T计划（编号：25331001D）、国家自然科学基金（项目编号：U21A6002、62101185）和国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3603800）的财政支持。