Small | 激光诱导前向转移（LIFT）在二维异质结构器件制备中的应用

研究背景

二维材料因其独特的电学、光学与力学性质，被认为是下一代电子与光电子器件的重要候选材料，其中石墨烯与过渡金属硫族化物（如 MoSe₂、PdSe₂）在透明电极、半导体沟道和异质结器件中展现出广阔应用前景。通过将不同二维材料以范德华方式垂直堆叠，可以实现能带工程与功能集成，例如构建无需掺杂的 p–n 结与多功能异质结构器件。然而，如何在保持材料本征性质的同时，实现高精度、低污染、可扩展的图案化转移与堆叠，仍是二维器件制造面临的关键挑战。传统转移与光刻工艺通常依赖聚合物支撑层和多步处理流程，容易引入污染与结构损伤，限制了器件一致性与规模化集成。近年来，激光诱导前向转移（LIFT）作为一种非接触、无掩膜的数字化转移技术，展现出在微米尺度精确定位与图案化沉积二维材料方面的潜力，为构建高质量二维异质结构与器件提供了一种新的工艺路径。

研究内容

近日，雅典国家技术大学（National Technical University of Athens）的 Ioanna Zergioti等人在 Small 上发表了题为“Laser-Direct Printed 2D Material-Based Heterostructure for the Fabrication of Electronic Devices”的最新研究，提出并验证了一种基于激光诱导前向转移（LIFT）的二维材料数字化组装方法，用于精确构筑由石墨烯、MoSe₂ 和 PdSe₂组成的范德华异质结构。该方法实现了无掩膜、无聚合物支撑的微米尺度“像素化”转移与垂直堆叠，在保持材料结构与电学性质的同时，成功制备了二维材料场效应晶体管以及 PdSe₂/MoSe₂ p–n 结器件，并展示了稳定的电学与光电响应性能，表明 LIFT 技术在可扩展二维异质结构器件制造中的应用潜力。

图文导读

图1以示意图形式展示了激光诱导前向转移（LIFT）技术的基本流程：二维材料首先被制备在石英/Ni 供体基底上，随后激光脉冲照射 Ni 动态释放层，将预定义形状的二维材料“像素”精确转移到目标基底上，为后续的图案化组装与堆叠提供基础。

图1｜LIFT 工艺原理示意

图2展示了通过 LIFT 技术将 PdSe₂ 精确转移到 SiO₂ 基底上的结果，包括光学显微镜、SEM 和 AFM 表征，以及拉曼光谱与拉曼成像，证明转移后的 PdSe₂ 像素具有良好的几何形貌、层数可控性和均匀的晶体质量。

图2｜PdSe₂ 像素的激光转移与表征

图3给出了 MoSe₂ 像素阵列的光学、SEM 和 AFM 表征，并结合拉曼光谱与拉曼成像确认其为高质量的少层 MoSe₂，说明 LIFT 同样适用于另一类二维半导体材料的精确转移与图案化。

图3｜MoSe₂ 像素的激光转移与质量验证

图4通过光致发光（PL）与偏振二次谐波（SHG）测量，展示了 LIFT 转移后的 MoSe₂ 仍保持良好的光学响应和晶体对称性，进一步证明该激光转移过程对材料本征性质影响较小。

图4｜MoSe₂ 的光学性质表征

图5展示了利用 LIFT 技术逐层堆叠石墨烯、MoSe₂ 和 PdSe₂ 构成的范德华异质结构，包括结构示意图、光学图像以及拉曼与吸收光谱，验证了多层异质结构的成功组装及其在可见光和红外波段的光学响应特征。

图5｜Gr/MoSe₂/PdSe₂ 异质结构的构筑与光谱表征

图6给出了分别基于 PdSe₂、MoSe₂ 和石墨烯构建的 FET 器件的光学图像及其输出与转移特性曲线，显示 PdSe₂ 呈现 p 型行为、MoSe₂ 呈现 n 型行为，而石墨烯表现出典型的双极输运特性，证明转移后的材料具备可用的电学性能。

图6｜基于激光转移二维材料的场效应晶体管（FET）

图7展示了采用石墨烯作为透明顶电极的 PdSe₂/MoSe₂ 垂直 p–n 结器件结构示意、能带示意及电流-电压（I–V）测试结果，表明该异质结构表现出稳定的整流特性，验证了 LIFT 技术在功能器件构筑中的可行性。

图7｜PdSe₂/MoSe₂ 垂直 p–n 结器件，石墨烯作为顶部电极

图8通过 XPS 测量分析 PdSe₂/MoSe₂/Gr 堆叠结构中的能级位移，揭示了层间电荷转移与能带弯曲等界面电子相互作用，为理解器件电学行为提供了物理依据。

图8｜异质结构的 XPS 界面分析

图9展示了 PdSe₂/MoSe₂/Gr 器件在激光照射下的光电流空间分布及光谱响应特性，表明光生载流子主要产生于异质结重叠区域，进一步说明该 LIFT 构筑的二维异质结构具备潜在的光电探测应用价值。

图9｜PdSe₂/MoSe₂/Gr 器件的光电流特性

图10系统展示了 PdSe₂/MoSe₂/Gr 器件在 660 nm 光照下的频率相关光电响应行为：光电流在 2–4 kHz 范围内达到峰值，器件的 −3 dB 带宽约为 40 kHz，同时给出了上升与下降时间随频率变化的结果，表明该器件具有千赫兹量级的动态响应能力，适用于图像传感与光电探测等应用场景。

图10｜PdSe₂/MoSe₂/Gr 器件在室温下 660 nm LED 照射下的频率相关光响应

总结展望

该研究首次实现了利用激光诱导前向转移（LIFT）技术对二维 PdSe₂ 与 MoSe₂ 材料进行像素级精确转移与阵列化组装，并通过单次激光脉冲完成多材料的同步转移与图案化构筑。系统的光学显微、拉曼光谱、扫描电子显微镜和原子力显微镜表征表明，转移后的二维材料在结构完整性与层数可控性方面均保持良好质量。在此基础上，研究进一步构建了垂直堆叠的 PdSe₂/MoSe₂ p–n 结，并引入石墨烯作为透明顶电极，成功制备了 PdSe₂/MoSe₂/Gr 异质结构体系。电学测试结果显示，PdSe₂、MoSe₂ 与石墨烯分别表现出稳定的 p 型、n 型及高迁移率输运特性，且所构筑的 p–n 结器件在多次测量中展现出稳定、可重复的整流行为，验证了该工艺在器件集成中的可靠性。综合来看，该工作证明了 LIFT 技术在构筑复杂二维异质结构方面具有工艺简洁、可扩展性强和污染可控等优势。展望未来，该方法有望进一步拓展至更多二维材料体系与更高集成度器件结构的构筑，为二维材料在新一代电子与光电器件中的规模化应用提供一种具有潜力的制造路径。

该工作发表在Small上

文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202510702