二维材料的乙醇辅助转移及其热学传输性质探究

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二维材料是一类新兴的纳米材料,由于其优异的物理、化学、电子等特性在基础科学和实际应用中受到广泛关注,然而对于二维材料热学性质的研究却相对较少,原因之一是二维热学器件的样品制备、转移、测试过程存在诸多技术难点,例如应用悬空热桥法进行二维材料微纳热学传输性能表征,其样品转移过程需要实现精确定位的同时保证样品完整洁净。在二维材料研究领域,不论是构建全新的二维范德华异质结,还是在器件上测试探究二维材料本征性质,都需要转移方法这项重要的基础技术来实现。在转移过程中,最大的难点在于能够将样品从衬底上剥离下来的同时,保持样品完整和洁净。传统的转移方法如聚合物辅助转移,粘弹体辅助转移,或者范德华力辅助转移等,都不可避免具有聚合物残留,或者无法精确定位等问题,并且容易造成精密器件损坏。因此,我们发展了一种乙醇辅助的二维材料转移方法,应用一套自主搭建的转移平台成功实现了二维材料的洁净转移,具有洁净并且能够实现精确定位的技术特点。分子动力学计算模拟和液相原子力显微镜表征测试揭示了其微观原理:乙醇能够自发插层进入二维材料样品和衬底之间空隙,并且有效削弱二维材料和衬底之间的结合力,使得转移能够成功进行。原子力显微镜、拉曼光谱和光致发光表征了转移前后样品的表面形貌和结构性能不发生变化,证明转移过程洁净无沾污,能够完整保持晶体的高质量。基于乙醇辅助转移方法精确定位的特点,不同的二维堆叠,如二维范德华异质结、人工堆叠结构和悬空器件样品转移,都可以成功实现。为了探究二维材料的微纳热学传输性能,我们应用乙醇辅助的转移方法成功在悬空热桥上转移了薄层二硫化钼样品。扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜证明了二维晶体的高质量。测试结果表明二硫化钼样品的热导率先随温度上升迅速增加,在140 K达到峰值热导率,随着倒逆散射加强,热导率再平缓降低。室温下测得5层二硫化钼热导率为52 W m-1 K-1,高于其他转移方法制备的二硫化钼热导率数据,由于二维材料热导率和晶体质量正相关,这也证明乙醇辅助方法具有洁净转移的特点。不论是构建新型二维材料异质结堆叠,还是使用精密器件深入探究材料的物理化学特性,这种乙醇辅助的洁净、且精确定位的转移方法,作为一项重要的基础技术将在二维材料的研究发展中发挥它的作用。
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