2026, Nature Communications——二维异质结组装的新方向：云母辅助无污染范德华转移

文章提出利用白云母（muscovite）晶体替代传统PC/PPC等聚合物转移层，通过温度调控云母与二维材料之间的范德华粘附力，实现了二维材料的无聚合物、确定性、可控拾取—堆叠—释放过程。白云母的优势在背景部分有详细的论述，同时在结论部分作者也指出了这个方法的局限性，科研级高质量异质结的制备更为适合，这个方法的大面积可拓展性概率低。不过利用非聚合物干法转移确实可以减少很多的界面污染形成高质量的界面，未来大面积转移的媒介还需要进一步的挖掘和探索。包括之前的柔性方法2026, Nature Electronics——告别湿法污染！4英寸单晶MoS₂实现柔性衬底高κ介质辅助干转移（https://www.nature.com/articles/s41928-026-01598-0），怎么去适配到刚性衬底也是一个值得解决的方向。

摘要

范德华（vdW）异质结构的出现，使人们能够以原子级精度构建“定制化”材料，并已在其中发现了大量新奇的量子与拓扑物理现象。然而，这种原子层级的可调控性也带来了巨大挑战：二维材料单层必须以确定性方式被逐层拾取、移动和堆叠，同时还需要保持界面的原子级洁净。近年来，机器学习与机器人技术的发展，又进一步提高了对vdW组装“确定性”的要求。但目前主流的聚合物辅助转移方法，既无法满足高确定性，也难以保证界面洁净度。因此，亟需一种能够：动态、可控调节粘附力，同时避免有机污染的新型二维材料转移方案。在这项工作中，作者提出了一种基于薄层白云母（muscovite mica）晶体的无聚合物转移技术。通过温度调控云母的粘附能力，可实现二维材料的：确定性拾取，精确堆叠和可控释放。同时，由于云母本身是晶态无机材料，其能够有效保持界面原子级洁净，并抑制应变产生。该方法完全兼容现有二维材料加工流程，并成功实现了多种高要求范德华异质结构的组装，包括：暴露导电层结构，Moiré超晶格，悬浮二维膜结构。作者认为，这种方法有望成为未来二维材料异质结自动化制造的重要技术路线。

研究背景和主要内容

自二维（2D）材料被发现以来，纳米加工技术的发展使研究人员能够将不同的原子级薄晶体进行精确堆叠，形成所谓的范德华（vdW）异质结构。过去二十年中，制备工艺的每一次进步，不仅提升了已有异质结构的质量，也不断拓展了器件设计空间，使许多此前无法观测的物理现象得以实现。这些进展已经深刻改变了凝聚态物理研究领域。例如，人们已经能够构建具有可调强关联电子态、对称性破缺态以及复杂能带重构行为的二维异质结构，而这些性质在单一本征二维材料中通常无法获得。然而，尽管二维异质结构已经取得巨大成功，目前主流的组装技术仍然存在明显改进空间。

早期二维器件制备主要依赖液体辅助转移方法，但这种方法并不适合高可靠性地组装机械剥离二维材料异质结构。随后，基于PMMA和PDMS的干法弹性体转移技术显著提升了二维材料拾取与放置过程的良率和可控性。然而，这类聚合物材料本质上具有粘弹性，其蠕变与应力松弛行为会在接触过程中引入空间不均匀应变，同时其表面还会残留有机污染物。此外，其粘附力通常只能通过接触时间和温度进行粗略调控。

为了进一步提升粘附控制的确定性，研究人员随后发展出了基于PC和PPC的热聚合物转移方法。通过利用聚合物玻璃化转变温度附近的力学性质变化，可以实现二维材料的拾取、旋转以及亚微米级精准释放。然而，这类方法仍然存在明显问题，例如：表面长期存在聚合物残留； 二维材料界面中容易形成气泡与污染囊泡； 高温处理会导致层间滑移； 大面积器件中容易出现扭转角漂移；残余应变梯度难以彻底消除。

近年来，一些先进的无聚合物转移方法开始出现。例如，研究人员利用悬空二维材料悬臂梁以及柔性SiNx/金属膜作为刚性支撑结构，以获得更加洁净的界面。这些方法虽然有效降低了聚合物污染，但仍然存在新的问题。例如，其性能高度依赖于悬臂梁制备条件（金属组成、沉积工艺、表面粗糙度等），限制了方法的普适性；同时，在大面积范围内实现高均匀性的精确扭转角控制仍然十分困难。

在本工作中，作者提出了一种全干法、无聚合物、低成本且易于实现的二维材料转移方法：利用白云母（muscovite mica）晶体作为转移膜与悬臂梁，实现范德华异质结构组装。云母材料具备三项能够直接解决现有瓶颈的重要特性：第一，云母是一种光学透明、化学惰性的层状范德华晶体，可在毫米尺度上形成原子级平整且洁净的表面；第二，其较高的弹性刚度与晶体结构能够抑制局域形变，为二维材料提供稳定支撑，从而在转移过程中显著降低机械应变；第三，云母与多种二维材料之间的粘附力可以通过较小范围的温度变化进行精细调控，从而实现确定性的拾取、精准角度堆叠以及可靠释放。此外，作者还指出，该方法与现有二维材料加工流程完全兼容，因此能够无缝接入当前主流制造工艺，无需额外改造设备。基于该方法，作者进一步实现了多种复杂范德华异质结构器件，包括：高质量洁净界面的异质结构，高精度莫尔超晶格，悬浮二维膜器件，并展示了其在高质量电子输运器件中的潜力。

图1｜基于云母辅助的异质结构组装标准流程。a-d：基于PDMS支撑的云母膜转移印章制备过程。a，组装流程示意图。b，悬空云母薄膜在中空胶带支撑上的实物照片。c，将该胶带转移到PDMS/玻璃载片支撑结构上的照片。d，最终形成的云母膜表面光学图像。e-h：云母悬臂梁制备过程。e，组装流程示意图。f，由胶带支撑的云母悬臂梁实物照片。g，将云母悬臂梁固定于倾斜支撑结构上的照片（35°）。h，最终形成的云母悬臂梁表面光学图像。i，典型异质结构组装过程的光学图像。j-n：利用云母膜实现异质结构组装的逐步示意图，对应的实验光学图像见o-t。其中：hBN 表示六方氮化硼；灰色箭头表示接触线移动方向；黑色虚线表示相关二维材料边界轮廓。 o-t中的比例尺对应o图中的40 μm。

图2｜利用云母辅助方法组装的典型异质结构示例。a，利用云母悬臂梁辅助组装得到的hBN全封装单层石墨烯（SLG）光学图像；插图展示标准释放过程。b，与a中黑色虚线区域对应的接触模式AFM图像；白色虚线框区域用于表面粗糙度测量。c，利用“折断云母悬臂梁”方式释放得到的hBN封装SLG/石墨栅极结构光学图像，其中云母保留作为底部支撑层。d，c中黑色虚线区域放大图；插图为相同区域的接触模式AFM图像。白色虚线框区域测得：均方根粗糙度 Rrms = 82 pm；峰峰值粗糙度 Rpp = 201 pm。比例尺为5 μm。e-f，利用云母膜实现机械清洁过程的光学图像；白色箭头表示接触线移动方向，红色圆圈标示被驱赶移动的污染囊泡。g，多层异质结构示意图，包括：hBN封装扭转三层石墨烯（TLG），石墨背栅。h，对应异质结构的光学图像。i，与h中黑色虚线区域对应的接触模式AFM图像；白色虚线框区域用于粗糙度测量。图中：t-hBN、m-hBN 和 b-hBN 分别表示顶部、中间和底部hBN层。补充拉曼与XPS测试结果表明。石墨烯质量较高；异质结构中不存在意外剥离的云母污染；未检测到典型云母杂质离子（Li、K、Na）。

图3｜利用云母辅助方法组装扭转层异质结构的示例。a，边缘微小扭转角铁电hBN/hBN结构的光学图像。b，a中黑色虚线区域的AFM高度图。c，与b对应区域的KPFM表面电势图。d，c中红色虚线区域的高分辨KPFM图像。e-g，利用传统PC方法组装的同类hBN/hBN结构，用于对比分析。e-g与a-c结构对应。作者指出，对于a-d中的hBN莫尔超晶格，其制备良率已接近50%，主要限制来源于对hBN层数奇偶性的判断误差。h，利用PC方法预组装的边缘对准SLG/hBN结构光学图像。i，h中绿色点区域对应的PFM莫尔超晶格图像。j，将h-i结构利用云母膜重新拾取后的光学图像。k，j中绿色点区域对应的PFM莫尔图像。l，对比SLG/hBN结构在SiO₂/Si衬底与云母膜上的莫尔周期 λm。m-q，不同扭转角双层石墨烯（TBG）的高分辨导电AFM（cAFM）电流变化图。o与q分别对应n与p中红色虚线区域的放大图。

图4｜利用云母辅助方法组装异质结构的低温磁输运表征。a，标准hBN封装SLG霍尔条器件光学图像。b，非局域电阻随载流子浓度n与磁场B变化关系图。插图为测量结构示意图：红点和黑点分别为源极与漏极； 黑线表示电压探针位置。 c，电子迁移率 μ 随载流子浓度 n 的变化关系。灰色阴影区域表示接近电中性点区域。d，由图2h-i异质结构制备得到的hBN封装扭转TLG霍尔条器件光学图像。e，非局域电阻关于n与B的二维映射图。f，在B = 50 mT条件下测得的双栅极电阻图谱。其中：t-LL、m-LL 和 b-LL 分别表示顶部、中间和底部石墨烯层的朗道能级；t-CNP、m-CNP 和 b-CNP 分别表示对应层的电中性点。g，由图2c-d异质结构制备得到的hBN封装SLG霍尔条器件光学图像。h，在300 K与1.5 K条件下测得的器件电阻率ρxx；红色与蓝色曲线分别对应栅压升高与降低过程。i，相同器件中电子平均自由程 lmfp；黑色虚线表示由霍尔条宽度 wHB 限定的弹道输运极限。

图5｜利用云母辅助组装实现的更多功能器件示例。a，悬浮SLG/hBN异质结构跨越hBN/SiO₂衬底空腔的光学图像。b，对a中悬浮膜进行AFM力-位移测试。黄色曲线为连续介质力学模型拟合结果，对应：杨氏模量 E = 851 ± 4 GPa；预张力 N0 = 1.3 ± 0.2 Nm⁻¹。插图：上图为膜结构AFM高度图；下图为实验示意图。c，悬浮膜基频机械共振模态测试结果。蓝色曲线为线性阻尼简谐振子模型拟合结果：共振频率 f0 = 23.884 ± 0.005 MHz；品质因子 Q = 314 ± 3。插图为干涉式测量系统示意图。d，悬浮SLG/hBN对准异质结构的PFM粘附图像。e，折叠铁电3R-MoS₂结构的光学图像；插图为折叠与释放流程示意图。f，转移至hBN衬底上的单层MoS₂室温PL发光谱；插图为AFM高度图。g，大面积未封装SLG/hBN结构光学图像。h，hBN封装少层CrBr₃异质结构光学图像。i，少层FePS₃/hBN异质结构光学图像。

结论

我们提出并验证了一种基于白云母（muscovite）晶体膜的二维材料异质结构无聚合物确定性组装方法。该方法利用了云母天然的范德华特性以及其随温度变化的粘附行为。

该技术克服了现有二维材料转移方法中的若干关键限制，实现了：大面积洁净界面；异质结构内部扭转角的稳定控制；对多种材料体系与器件结构的良好兼容性。

这一方法的重要优势在于其与现有纳米加工工艺高度兼容。它无需改造传统转移平台，仅需将目前广泛使用的PDMS/PC（或PPC）转移印章中的PC/PPC聚合物层替换为云母膜，即可直接使用。

同时，该方法成本极低：单块AFM级云母晶体价格约为3美元；单个云母悬臂梁的实际成本甚至低于0.1美元。然而，与任何加工技术一样，该方法在当前阶段仍存在一定局限性。

目前，云母方法更适用于：高性能、小批量、微米尺度（通常≤约200 μm）的科研器件制备，尤其在以下方向表现突出：高精度扭转角异质结构；悬浮二维膜器件。 规模化应用目前仍面临一个重要挑战：如何在不依赖底部二维材料（例如hBN或石墨）作为释放层、也不通过折断云母悬臂梁的情况下，将已精准对准的异质结构可靠转移到半导体工业兼容衬底（如SiO₂/Si）上，同时保持层间扭转角不发生漂移。

不过，作者认为这些限制更多属于“工程实现问题”，而并非原理性障碍。原因在于：天然云母本身可以形成宏观尺寸的大单晶；如果未来能够发展兼容的大面积生长与释放工艺，则有望实现大面积二维材料转移。 此外，对于那些“不严格依赖扭转角”的器件结构，作者提出可以采用类似图5e中的“滑移释放（sliding release）”方案：即沿平行于衬底方向滑动释放二维材料；同时仍保留无聚合物、洁净界面和低污染等优势。

另一个挑战在于：该方法依赖于白云母本身的机械性能与粘附特性，而这些性质未必对所有二维材料都同样适用。例如：某些与云母范德华作用较弱的材料； 或表面对云母粘附较低的二维晶体；在拾取或释放过程中可能存在困难。这一问题在空气敏感材料或高湿度环境下会更加明显。

不过作者强调：本文中的大多数异质结构，实际上都是在普通实验室环境下完成组装的：无需严格湿度控制；也无需大量额外工艺优化。当然，在手套箱或低湿度环境下操作，仍然能够进一步降低环境因素带来的影响。例如：高湿度可能会改变云母与二维材料之间的粘附力，从而影响转移稳定性。最后，作者总结指出：云母辅助组装方法已经被证明是一种：通用、可靠、适用于复杂范德华异质结构构筑的方法。 利用该方法制备的异质结构能够稳定实现：原子级洁净界面；无污染表面；超平整层间结构；并且无需任何后处理步骤。基于这一优势，作者实现了：高均匀性的莫尔超晶格；超高迁移率石墨烯霍尔器件；悬浮无封装莫尔超晶格膜结构等复杂器件。其器件性能已经达到当前最先进石墨烯霍尔器件水平。此外，该方法对材料体系具有广泛兼容性，包括：石墨烯、hBN、MoS₂等稳定二维晶体；以及：FePS₃、 CrBr₃ 等空气敏感二维材料。

作者进一步认为，该方法未来还有望扩展至：非范德华材料体系（例如悬浮复杂氧化物）； 更特殊的新型二维系统（例如单层非晶碳）。 因此，其影响力可能不仅局限于二维材料领域，而可能扩展至更广泛的低维功能材料与异质集成研究。

文献信息

Polymer-free van der Waals assembly of 2D material heterostructures using muscovite crystals

文章链接： https://www.nature.com/articles/s41467-026-72554-x