Nano Letters：可规模化、简便且通用的二维材料及器件封装方法

研究背景

二维材料在电子、光子与量子技术中展现出巨大潜力，但其对环境退化、加工引入的无序以及表面缺陷高度敏感，这一问题在超出单层极限的空气敏感材料中尤为突出。氧化以及光刻胶、溶剂等加工化学品的暴露会在测量之前就迅速破坏剥离薄片的电子与结构性质。为此，领域内普遍采用六方氮化硼封装，但该方案只适用于较薄的叠层，需要专门的转移技术、多步工艺以及可能残留的聚合物支撑层；且器件通常必须在封装之前完成制备，封装后再开窗接触则需要精心优化的刻蚀工艺，难以规模化。

以氧化物封装为代表的替代方案中，原子层沉积往往需要活性前驱体、表面功能化、水暴露或强刻蚀步骤，与许多脆弱的低维材料不兼容。相比之下，电子束蒸发氧化铝可在室温下以简单、普及的工艺沉积，并且薄层氧化铝可在标准光刻显影过程中被四甲基氢氧化铵显影液直接去除，这意味着无需专门的刻蚀步骤即可实现晶圆级、无聚合物残留的器件制备，同时让有源材料在整个加工过程中免受光刻胶残留、溶剂与环境污染。

成果简介

近日，美国波士顿学院 Kenneth S. Burch 教授团队在《Nano Letters》上发表论文，报道了一种基于电子束蒸发氧化铝的二维材料与器件封装策略。该方法同时充当有效的封装层和牺牲性加工掩模，无需堆叠转移，也无需封装后刻蚀或苛刻化学处理即可制备顶电极。论文第一作者为波士顿学院博士生 Gabriel Natale。

作者在手套箱集成工艺平台上研究了三类代表性材料体系。对于稀土三碲化物 RTe₃（R = La, Er），130 nm氧化铝可使厚度小于 30 nm的 LaTe₃ 薄片在6～10 天内拉曼谱几乎完全不变，并使空气敏感性极强、裸露约1 小时即失去光谱对比度的 ErTe₃ 薄片在数日内保持本征声子模式；研究还发现氧化从薄片边缘起始并沿范德华层间推进，当衬底由非晶 SiO₂ 换为单晶蓝宝石后，5～90 nm厚度范围内 26 片样品的 37 个测点中有 32 个在空气中放置 120 小时后氧化物信号基本不变，实现了对厚薄片的完全边缘封装。对于半金属 WTe₂，仅 3 nm 的超薄氧化铝即可在保护样品的同时保留其本征拉曼谱与近场光学响应，散射式扫描近场光学显微成像在 1550 cm⁻¹ 下仍能分辨约 0.6～0.7 nm 的单层台阶及其对应的等离激元光学衬度变化。对于铁基超导体 FeTeₓSe₁₋ₓ，无论采用光刻还是热扫描探针光刻，无论是透过 3 nm 牺牲层直接制备还是制备后再以 130 nm 氧化铝封装，器件均保持与体材料一致的超导转变，FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅ 器件的 Tc 分别为 14.2 K 与 14.0 K，FeTe₀.₇₀Se₀.₃₀ 器件为 13.7 K；其中采用 3 nm 牺牲掩模直接制备的器件转变宽度仅为 0.47 K，明显优于制备后封装器件的 0.77 K，证明该策略在保护样品的同时还能提升器件质量。

图注说明

图1 薄层 LaTe₃ 与 ErTe₃ 薄片暴露于大气环境中的拉曼谱演化。(a, c, e) 未封装的 LaTe₃ 与 ErTe₃ 薄片在暴露后迅速出现并持续增强的碲氧化物拉曼峰（黑色箭头，位于 130 cm⁻¹ 与 145 cm⁻¹），ErTe₃ 在约 1 小时内即失去光谱对比度；(b, d, f) 以 130 nm 氧化铝封装的薄片在 6～10 天内光谱几乎完全重合，ErTe₃ 封装样品在 112 小时内无可测退化。插图为原子力显微镜形貌，封装薄片保持均匀平整，未封装薄片则出现气泡、粗糙表面和层间自剥离。

图2 衬底选择对边缘封装质量的影响。(a) 在 SiO₂ 衬底上，厚度为 45～55 nm 的 LaTe₃ 薄片即使覆盖 130 nm 氧化铝，在暴露 41～86 小时之间仍出现碲氧化物峰，说明边缘未被完全封住；(b) 在单晶蓝宝石衬底上，90 nm 厚的 LaTe₃ 薄片在空气中 120 小时后无任何氧化迹象；(c) 蓝宝石衬底上 26 片薄片共 37 个测点的碲氧化物峰与 LaTe₃ 本征峰积分强度之比随厚度的分布，剥离封装时与 120 小时后几乎不变，少数离群点来源于裂纹、重叠或划痕等局部缺陷。

图3 3 nm 氧化铝沉积对 WTe₂ 的保护及影响。(a) 沉积后 WTe₂ 薄片的光学显微像；(b, c) 白色虚线框区域的原子力显微镜形貌与 1550 cm⁻¹ 三次谐波近场光学振幅像，近场图像呈现清晰的厚度依赖光学衬度；(d) 沿蓝、红虚线的高度与近场信号剖面，0.6～0.7 nm 的台阶高度对应单层差异并伴随明显的光学信号变化；(e～g) 另一薄片在厚区 P1 与薄区 P2 沉积前后的拉曼谱（以 167 cm⁻¹ 峰归一化），峰位、线宽与相对强度均无可测变化。

图4 FeTeₓSe₁₋ₓ 器件的电阻及其温度导数随温度的变化。(a) FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅ 经光刻制备后再以 130 nm 氧化铝封装，Tc = 14.2 K；(b) FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅ 透过 3 nm 牺牲性氧化铝层直接制备、未再加厚封装，Tc = 14.0 K，转变宽度仅 0.47 K；(c) FeTe₀.₇₀Se₀.₃₀ 经热扫描探针光刻制备亚 200 nm 电极后封装，Tc = 13.7 K。虚线标示电阻温度导数的峰位即 Tc，插图为对应器件的光学像。

表1 脆弱二维材料常用封装策略对比。电子束蒸发氧化铝在晶圆级兼容、无水工艺、无活性前驱体、无需表面处理、室温沉积、可高效沉积厚层、无需转移对准、无聚合物、可超薄、光学透明、可借助显影液开接触窗以及单步封装整器件等方面具备优势，其不足在于保形性不及原子层沉积。

总结展望

本工作证明电子束蒸发氧化铝可作为一种简单、可规模化且非破坏性的平台，用于脆弱及较厚量子材料的保护与器件集成。通过对 RTe₃、WTe₂ 和 FeTeₓSe₁₋ₓ 的系统研究，作者表明氧化铝能有效抑制氧化、保留本征光学与电子性质，并同时兼容近场光学测量与超导器件制备；更重要的是，薄层氧化铝不仅是封装层，还能作为牺牲性加工掩模，在常规显影步骤中自然形成接触窗口，从而在不暴露有源材料于光刻胶残留和工艺化学品的前提下直接制备顶电极，避免了转移叠层、聚合物辅助组装和底电极精确对准等繁琐环节。

该方法也存在需要权衡之处：在现有沉积条件下，单层样品的光学响应会出现可测扰动，而双层与三层样品不受影响，说明损伤仅限于最表面一层；考虑到氮化硼封装后开窗刻蚀常损伤更多层，对多数应用而言其收益仍大于代价。作者指出，进一步优化沉积条件有望实现对单层薄片完全无损的工艺，同时还需在更广泛的准二维材料中验证其获得高质量欧姆接触的能力。该平台有望推动空气敏感量子材料在未来电子、光子与量子器件中的研究与集成。

文献链接

Scalable, Simple, and Versatile Encapsulation of 2D Materials and Devices

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c03297