研究背景
二维材料（如石墨烯、MoS₂、h-BN）在电子、光电子和催化领域潜力巨大。其性能高度依赖于表面原子层的完整性，这对机械、光电、量子特性至关重要。化学气相沉积（CVD）是大规模生产高质量二维材料的主要方法，能直接在特定基板上生长石墨烯，避免了复杂的转移过程。然而，CVD在精确控制缺陷和层数方面仍存在不足，难以直接获得理想的完整原子层表面。现有原子级处理技术（如聚焦离子束FIB、原子力显微镜AFM、扫描隧道显微镜STM）效率低且仅适用于纳米级处理，无法满足厘米级器件（如石墨烯光电探测器）的需求。原子层蚀刻（ALE）虽能大范围处理，但缺乏选择性并可能引入杂质。离子束图形（IBF）在加工范围和精度上符合要求，但光束可控性差且无选择性。
综上所述，当前技术在处理大面积二维材料时普遍存在效率低、选择性不足、可控性差及易引入杂质等瓶颈，严重制约了高质量原子层表面的规模化制备。因此，开发高效、精准且具备选择性的新型原子级处理技术，是突破二维材料应用瓶颈、推动其在先进电子和光电器件中落地的迫切需求。
文章概述
国防科技大学智能科学学院石峰研究员领导的科研团队提出了一种新型的脉冲离子束技术，能够实现大面积二维材料的单元子层可控剥离。该技术利用缺陷层与完整层原子结合能的差异实现选择性剥离，能在保持下层原子层完整性的同时实现表层原子的可控去除。与传统技术相比，这种方法提供了更大的加工窗口，并展示出更高的性能和质量，为高质量石墨烯层的大规模制备和定制化表面工程提供了可行解决方案，扩大了二维材料创新应用的潜力。
图文导读
图3 脉冲离子束流的产生。a. 脉冲离子源。b. 束流脉冲化。c. 入射离子在Y平面中的穿透深度。d. 离子分布范围的统计。
结论
团队提出了一种新型的脉冲离子束技术（PIB），通过控制表面原子的剥离过程（包括位错产生、拉伸、键断裂及分层），实现了单原子层的选择性与可控去除，同时确保次表面原子完整性。与原子力显微镜（AFM）、原子层刻蚀（ALE）和聚焦离子束（FIB）相比，PIB具备更宽处理窗口（10mm×10mm）和更高效率（单层剥离仅需微秒级），且避免了FIB的长时间操作（小时级）和ALE的不可控性问题。该技术为半导体制造、光电探测及合成催化等领域提供了高效材料加工方案，拓展了二维材料的尖端应用潜力。
该项目研究获得国家自然科学基金（NO. 62427817 & NO. 62175259）、国家重点研发计划（No. 2021YFC2202101）、湖南省研究生创新基金（CX20240101）等项目的资助，谨此感谢。
论文信息：
Single Atomic Layer Controllable Exfoliation of Graphene using Pulsed Ion Beam
Lingbo Xie, Feng Shi*, Ye Tian, Baoqi Gong, Shuangpeng Guo, Menglu Chen, Qun Hao
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202500574
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