麻省理工孔静教授，北京大学王江涛等人发表了题为“ Electrostatic-repulsion-based transfer of van der Waals materials”的工作于 Nature期刊上
本研究提出并实现了一种基于电双层（EDL）静电排斥机制的新型范德华（vdW）材料转移方法。该方法无需蚀刻，具有高通量、快速、晶圆级、低成本和高普适性的特点，适用于多种二维材料（如MoS₂、WSe₂、hBN、石墨烯、CNT等）及其生长基底（如SiO₂、蓝宝石、铜、SrTiO₃等）。通过将材料浸入32%氨水中，利用材料表面与基底间形成的EDL排斥力，实现温和、均匀、快速的剥离。该方法显著减少了传统转移过程中的裂纹、褶皱、聚合物残留和金属离子污染问题，实现了100%转移良率和原子级洁净界面。基于该方法制备的MoS₂场效应晶体管（FET）表现出优异的电学性能：近零迟滞（7 mV）、接近理想极限的亚阈值摆幅（65.9 mV dec⁻¹）、高达1.3 mA μm⁻¹的驱动电流（1 V偏压下）。该方法为vdW材料在3D集成、CMOS兼容制造和下一代电子器件中的应用提供了可行路径。
背景
二维范德华材料因其原子级厚度、优异电学和力学性能，成为下一代CMOS器件和三维集成系统的关键候选材料。然而，高质量vdW材料通常需在高温、特殊气氛和晶格匹配基底上生长，难以直接在目标器件基底上制备。因此，开发一种高效、洁净、低损伤的转移技术至关重要。现有的转移方法主要包括化学蚀刻、电化学鼓泡、干法剥离和水辅助转移等，但普遍存在以下问题：
- 蚀刻法（如KOH、HF）会损伤基底和材料，引入金属离子污染；
- 干法剥离依赖材料/基底间弱粘附，适用范围窄；
- 水辅助转移受限于界面化学特性，普适性差；
- 聚合物支撑层在蚀刻过程中易受损，留下残留物。
因此，亟需一种新型转移机制，能同时满足高完整性、洁净度、速度、规模化和普适性等工业需求。
主要内容
本研究提出一种基于电双层（EDL）静电排斥机制的转移方法（EDL transfer），利用氨水中形成的EDL排斥力实现vdW材料与生长基底的无损分离。该方法不依赖蚀刻反应，适用于多种二维材料（TMDs、石墨烯、hBN、CNT等）和基底（氧化物、金属、氮化物、云母等）。通过调控溶液pH和离子强度，可有效增强EDL排斥力，实现快速、均匀、晶圆级的材料剥离。
EDL转移过程包括两个关键步骤：
- 初始间隙扩展：氨水分子渗透至材料/基底界面，产生短程空间水合排斥力；
- EDL排斥主导：材料与基底表面均带负电，形成EDL，产生长程静电排斥力，克服范德华吸引力，实现材料剥离。
该方法可与多种支撑层（PMMA、PDMS、TRT等）结合，支持干法贴合与多层堆叠，具备良好的可扩展性和工艺兼容性。实验表明，EDL转移不会引入金属离子污染，几乎不损伤基底，可实现基底重复利用，并显著减少材料表面裂纹、褶皱和聚合物残留。
实验细节概括
实验中，研究人员采用32 wt%氨水作为转移介质，系统研究了EDL转移机制、适用范围和工艺优化。通过调控溶液pH（≈12）和离子强度（≈0.02 mol/L），在MoS₂/蓝宝石等典型体系中实现了快速剥离（剥离速度≈1 mm/s，1 cm²样品<5 s完成）。
创新点
- 提出并验证了一种全新的EDL静电排斥机制，用于vdW材料的无损转移，突破了传统蚀刻或机械剥离的局限。
- 实现了无需蚀刻、无金属离子污染、低损伤、高洁净度的转移过程，适用于多种材料和基底。
- 首次系统揭示了EDL排斥力在vdW材料转移中的作用机制，结合DLVO理论建立了力模型。
- 支持晶圆级、快速、低成本转移，具备良好的CMOS工艺兼容性。
- 实现了基底重复利用和多级堆叠，展示了在3D集成和异质结构建中的应用潜力。
- 制备出性能优异的MoS₂ FET，达到近理想SS、超低迟滞、超高驱动电流，验证转移技术的器件级优势。
结论
EDL转移技术为vdW材料的规模化、高质量、低损伤转移提供了全新解决方案。其基于氨水中EDL排斥力的物理机制，避免了传统方法中的蚀刻损伤、污染和残留问题，显著提升了材料完整性和界面洁净度。该方法适用于多种二维材料和基底，支持晶圆级操作和多层堆叠，展现出极高的普适性和工业兼容性。基于该方法制备的MoS₂晶体管表现出优异的电学性能，验证了其在高性能电子器件中的应用潜力。未来，EDL转移技术有望与自动化贴合、干法堆叠等技术结合，推动二维材料在3D集成、柔性电子、光电系统等领域的广泛应用。
结果与讨论
图1 | EDL转移原理、应用范围及关键步骤。a) vdW材料/基底浸入浓氨溶液时EDL形成及产生排斥力的示意图，白色带”-“圆圈表示表面束缚负电荷，橙色带”-“和蓝色带”+”圆圈分别代表可移动离子（NH4⁺、H⁺、OH⁻）。b) 不同基底和vdW材料的zeta电位随pH值变化关系（文献19-35汇总），灰色为等电点，红/蓝分别表示正/负zeta电位。c) 本工作探索的应用范围示意图，界面处分子模型代表NH4⁺和OH⁻。d) 典型vdW材料/基底在EDL转移前后的光学和SEM图像（比例尺从左至右依次为10μm、20μm、10μm、50μm、50μm），每列上下图像共用比例尺，hBN/SiO2样品用镊子划痕以增强对比度。e) EDL转移流程
图2 | EDL转移机理与生长基底重复利用。a) 上图：剥离机制示意图；下图：浓氨溶液中vdW材料与基底间作用力计算曲线（r为界面间距），总排斥力包含EDL作用（虚线）和空间水合排斥力（虚线）。b) SiO2凝胶浸入浓氨溶液、KOH和NH4Cl的时间演化照片（离子强度I单位mol l−1由公式5定义），比例尺10mm。c) SiO2凝胶膨胀长度随时间变化曲线（0s为接触溶液初始时刻）。d) 剥离速率与离子强度的实验关系。e) EDL作用力与德拜长度随离子强度的理论计算关系。f) 剥离速率与pH值的实验关系。g) EDL作用力随pH值的理论计算关系。h) 285nm SiO2/Si基底在浓氨溶液(约32wt%)和KOH(1mol l−1)中浸泡30分钟前后的对比照片，比例尺0.2cm。i) 椭偏仪测量的SiO2厚度损失与AFM表征的表面粗糙度增加统计图（误差棒为同一样品多次测量的标准差）。j-m) 蓝宝石基底EDL转移后的重复外延生长：j) 退火后生长前的AFM图像；k) 蓝宝石上MoS2外延生长的SEM图像；l) EDL转移后同一蓝宝石基底的AFM图像；m) 重复使用基底上的二次外延生长MoS2。比例尺均为1μm。
图3 | 双电层转移法(EDL)制备的vdW材料表征（以KOH转移法为对照）。a) 现有先进方法中存在问题的示意图。b) EDL和KOH转移法制备MoS2的明场光学图像（左）与AFM图像（右），光学图像比例尺20μm，AFM图像比例尺500nm。c) 有机溶剂去除PMMA后SiO2/Si基底残留物的暗场光学图像（斜入射照明约1×10⁸ lux），两组相同PMMA薄膜分别经氨水和70℃热KOH处理30分钟后转移至SiO2/Si基底进行残留分析，超高照度使纳米级污染物产生明显光散射。比例尺50μm。d) 氩气氛围200℃退火2天后的EDL-MoS2的STEM多尺度图像，比例尺从左至右分别为2nm、5nm、10nm、50nm。e) 基于A1g和E1²g拉曼振动模式关联分析构建的MoS2应变-掺杂映射图。f) 同批次生长但分别采用EDL（PMMA/hBN支撑层）和热KOH转移的碳纳米管拉曼光谱，KOH处理的碳纳米管缺陷峰（红色标记）显著。e-f数据采集激光波长532nm。a.u.为任意单位。
图4 | EDL转移法制备MoS2 FET的电学性能。a，背栅MoS2 FET示意图及典型短沟道器件（Lch=25 nm）的SEM图像。比例尺50 nm。b，EDL转移法制备的长沟道MoS2 FET（Lch=1 μm）的转移特性曲线。插图为Vds=0.05 V时Vth附近的放大视图，显示迟滞（ΔVH）。c，EDL转移法制备的短沟道MoS2 FET（Lch=25 nm）的转移特性曲线。插图为Vth附近的放大曲线，显示漏致势垒降低（DIBL）。d，EDL转移法制备的短沟道MoS2 FET（Lch=25 nm）的输出特性曲线。e，通过EDL转移制备的大规模MoS2 FET阵列：两个10×10 mm²批次中300个器件的导通电流（Ion）分布图。虚线框标注短沟道器件（Lch=25 nm）；其余为长沟道器件（Lch=1 μm）。坐标轴表示器件位置。f，对比实验：比较EDL、H2O和KOH转移法制备的MoS2 FET的Ion性能。箱线图表示四分位距（IQR；25-75百分位），中位数用水平线标出。须线延伸至1.5×IQR内的极端数据点，单个圆点表示实验测量值。g，文献中背栅单层MoS2 FET的转移产率与迁移率基准比较。颜色表示晶粒尺寸；黄色为单晶，灰色边框表示未指定晶粒尺寸。h，Pt接触双层WSe2 FET（Lch=30 nm）和Bi接触单层MoS2 FET（Lch=22 nm）的输出特性曲线。i,j，MoS2 MOS结构在10 kHz至1 MHz范围内20个频率点的典型多频C-V曲线（i）和G-V曲线（j）。k，通过电导法和高低频法提取的MoS2 MOS结构界面态密度（Dit）。l-n，背栅单层MoS2 FET在相似器件结构下的迟滞（l）、亚阈值摆幅SS（m）和导通电流Ion（n）随沟道长度Lch的基准比较。对于n，所有Ion值均在Vds=1 V下提取（参考文献3,8,41,58,59）。参考文献58数据在15 K下测量；其余均为室温测量。数据来源详见补充表2-4（对应g,l,m）
文献：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09510-0
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