2026, npj 2D Materials and Applications——二维材料转移迎来‘最温和框架辅助方案’：纯水就够了

二维材料的大规模转移是实现大规模制备的基础，也是一个工艺难点。越大晶圆尺寸的转移难度是成倍增加的，单一的转移技术可能难以支撑大规模的完美转移，需要不同的方法相结合，这篇文章提供的框架辅助和一定倾斜角思路就提供了很多的工艺细节，可以结合2025, Nature ——静电排斥驱动的二维材料转移新突破，MoS₂ 器件开态电流突破 1.3 mAμm一起看，缺乏的主要在于器件级性能的对比验证。

具体的工艺细节： “框架”本质上是一个力学传递与结构稳定单元：一方面为PMMA/二维材料提供整体支撑，防止转移过程中起皱和撕裂；另一方面更关键的是，将水的表面张力转化为沿界面传播的均匀剥离力，使原本随机的脱附过程变为可控的界面裂纹传播，从而实现大面积、低损伤转移。同时，框架显著提升了操作稳定性和工艺可扩展性。

在倾角设计上，小尺寸样品采用较大倾角（~10°），是为了利用重力分量辅助启动剥离；而大尺寸晶圆采用较小倾角（~5°），则是为了避免应力集中和膜失稳，使剥离过程主要由均匀的表面张力和水的界面渗透驱动，从而实现稳定、连续的大面积转移。

摘要

二维材料（2DMs）在未来电子、光学和传感器件中展现出巨大潜力。然而，目前主流的大规模生长方法（如MOCVD）通常需要高温条件，这使其难以直接与传统半导体工艺兼容。因此，将二维材料从高质量晶体衬底（如蓝宝石）转移到目标基底上，成为实现实际应用的关键步骤。现有转移方法通常依赖强碱性化学试剂（如KOH），不仅可能引入材料质量问题，还涉及复杂的人工操作和安全风险。本文提出了一种基于去离子水的、大面积框架辅助转移方法，成功实现了两种典型二维材料——MoS₂和h-BN——的高质量转移。该方法避免了强腐蚀性化学试剂的使用。研究团队进一步展示了该方法的可扩展性，实现了从100 mm（4英寸）蓝宝石晶圆上的MoS₂大面积转移。通过原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱等表征手段对比发现：转移前后材料形貌基本一致，压应变有所降低，掺杂水平和污染变化极小。表明该方法能够在保持二维材料本征性能的同时，实现可扩展的大面积转移。

研究背景和主要内容

基于二维材料（2DM）的高性能概念验证器件在传感、光电子和电子等领域展现出巨大的未来半导体应用潜力。然而，除非能将2DM集成到现有的半导体制造工艺流程中，否则这种潜力可能难以实现。目前，采用可扩展技术（例如金属有机化学气相沉积（MOCVD））的先进2DM生长通常与传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺不兼容，因为其生长温度较高（>400°C）。尽管最近一些研究团队报道了一些有望将温度降低到所需范围的方法，但层转移仍然是一种很有前景的替代方案，即在将材料键合到目标衬底之前，先将其从高温生长衬底上剥离。蓝宝石因其晶体性质、化学惰性、高熔点（2040°C）、良好的导热性（>10 W/mK）以及可通过偏切角（通常为0.2°）控制晶体取向等优点，常被用作生长衬底。蓝宝石也被广泛用作III-V族半导体行业的外延衬底，因此，其晶圆尺寸可达12英寸，且易于获得。从蓝宝石衬底转移二维材料（2DM）通常需要使用氢氧化钾（KOH）等化学品。该工艺依赖于在转移过程中对二维材料进行熟练的操作（“钓取式转移”），主要包括三个步骤。首先，在二维材料表面旋涂一层保护性聚合物。其次，将二维材料（2DM）手动倾斜放入氢氧化钾（KOH）或类似溶液中，使其从生长基底上脱离。这一步骤容易失败，因为研究人员必须长时间手动保持正确的角度。此外，靠近化学品也存在危险。第三，二维材料脱离后，将目标基底浸入溶液中以“捞出”二维材料薄膜。这同样存在危险，并可能导致二维材料薄膜折叠。此外，二维材料对气相和液相化学品敏感。例如，氢氧化钾会增加二维材料二硫化钼（MoS₂）的多晶性。这表明应避免某些化学品与二维材料的组合。此外，Zhang等人的研究表明，氢氧化钾会增加二维材料二硫化钼（MoS₂）的多晶性。文献从理论上研究了二维材料在液态水环境中从刚性基底上的剥离过程。他们的模型预测，当二维材料和基底均为亲水性材料时，水分子的存在会促进界面剥离。通常，当水滴的水接触角（WCA）小于90°时，表面被归类为亲水性表面，WCA越小，亲水性越强。文献报道的平面蓝宝石、MoS₂和六方氮化硼（h-BN）的接触角分别为~37°、~86°和52°至67 °之间。基于这些数值，一旦二维材料与水接触，水/二维材料和水/蓝宝石界面的形成在能量上是有利的，从而促进了二维材料从蓝宝石基底上的界面剥离。

本文提出了一种在蓝宝石衬底上大规模转移二维材料MoS₂和h-BN的方法_。该转移过程采用去离子水，并遵循Zhang等人提出的理论框架，同时结合支撑框架，可增强剥离力，并便于二维材料薄膜的操作。由于不使用酸或碱，避免了酸或碱对二维材料的影响以及操作过程中可能造成的危险，而支撑框架则可在转移过程中稳定脆弱的二维材料薄膜。此外，去离子水环境友好且储量丰富。我们通过原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和统计拉曼光谱对原位生长和转移后的材料进行了表征，验证了转移质量。

首先，将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）950k A6旋涂到二维材料上，形成厚度约为500纳米的保护和支撑层（见图1a，顶部）。其次，使用金刚石划线器将2英寸晶圆切割成所需尺寸。支撑框架由蓝色切割胶带1008 R（70 µm聚氯乙烯，带10 µm丙烯酸粘合剂层）和周围的塑料薄膜（市售打印薄膜，AVERY Zweckform GmbH）制成（见图1a，中间）。蓝色胶带上的孔径小于蓝宝石样品，以便将框架固定到蓝宝石/2DM/PMMA叠层结构上（见图1a，底部）。

然后，将装框样品用双面胶带固定在玻璃烧杯内一个表面倾角为10°的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）塑料立方体上（图1b、c，顶部）。该角度经实验确定，对于1.5 cm × 1.5 cm的样品而言是最佳角度。随后，我们向玻璃烧杯中注入去离子水，直至水面到达样品表面。去离子水的表面张力，加上切割胶带的疏水性，使得框架漂浮起来，并将表面张力通过框架传递到2DM/PMMA叠层上（图1b、c，中间）。最终，在框架向上作用力的支撑下，水分子渗入蓝宝石-2DM之间的范德华间隙，使2DM从蓝宝石上剥离。在剥离过程中，我们逐渐向烧杯中注入更多水，直至带有 PMMA/2DM 叠层的框架完全漂浮起来（图1b、c，底部）。该过程耗时几分钟到大约半小时不等，具体取决于 2DM 与蓝宝石之间的粘附力。由于无需使用碱或酸，因此无需进一步的去污步骤即可进行转移。

图 1：转移过程示意图。a材料堆叠的横截面及支撑塑料薄膜的制备步骤。b从横截面视图绘制的转移过程示意图。c MoS₂片转移过程的照片。顶部：空烧杯，内有 3D 打印的印章和带有框架的 MoS₂。2DM用于2DMs。中部：烧杯半满去离子水。可以看到框架因水的张力而弯曲。虚线用于引导视线。底部：PMMA/MoS₂堆叠体及其框架在成功从蓝宝石衬底上剥离后漂浮在去离子水面上。d ) 和 e) 分别为通过图像拼接生成的 2 cm × 2 cm Si/SiO₂芯片上 MoS₂和h – BN的光学显微镜图像。栅栏状结构是拼接伪影。

文章标题：Water-based, large-scale transfer of 2D materials grown on sapphire substrates

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41699-026-00696-z