石墨烯等二维材料，凭借原子级的厚度和极致的电学特性，一直被认为是后摩尔时代电子器件的核心候选材料。但想要把这些实验室里的 “明星材料”，变成能大规模量产的工业级器件，一直有个绕不开的 “拦路虎”——二维材料的转移与集成。
传统的转移方法，很容易让这层原子级薄的材料产生裂纹、褶皱，还会引入难以去除的污染；更麻烦的是，转移完成后还要再集成栅介质层，很容易破坏二维材料本身的洁净界面，这直接导致器件的性能一致性差、电学性能打折扣，成了制约二维电子器件规模化制造的核心瓶颈。
不过最近，北京大学刘忠范教授、张艳锋教授、林立研究员团队与合作者，带来了一个全新的解决方案，相关成果成功登上了国际顶尖期刊《自然・电子》（Nature Electronics）！
氧化锑（Sb2O3）介电层在单晶石墨烯表面的外延生长及器件性能表征（图片来源：国家自然科学基金委员会官网）
针对这个行业难题，研究团队跳出了传统的思路，提出了一种介电层辅助的转移与集成方法，把 “转移保护层” 和 “器件栅介质” 合二为一，完美解决了转移损伤和界面污染的问题。
整个研究过程中，团队通过一系列精密的实验仪器，一步步完成了从材料制备到器件验证的全流程验证：
实验的第一步，是制备出高质量的基底材料。团队首先在 4 英寸的 Cu (111) 单晶晶圆上，通过低压化学气相沉积（LPCVD）系统，成功制备出了晶圆级的单晶单层石墨烯，为后续的实验打下了完美的材料基础。
接下来，团队在已经制备好的石墨烯 / Cu 衬底表面，通过超高真空热蒸发外延系统，原位生长了一层仅 2nm 厚的单晶 Sb₂O₃（氧化锑）介电层。
这层介电层可不简单：它本身就是性能优异的栅介质材料，等效氧化层厚度仅 0.6nm，栅控能力极强；更重要的是，它能像一个坚固的 “保护罩” 一样，把下方的石墨烯完全覆盖住，在后续的转移过程中，有效抑制了裂纹、褶皱的产生，还能隔绝污染，完美保护石墨烯的本征性能。
完成叠层的转移后，团队首先用 \\ 光学显微镜（OM）\\ 对整个 4 英寸晶圆进行了全局的形貌观测。结果显示，转移后的样品宏观上非常完整，没有传统转移方法常见的大面积裂纹、破损，整个晶圆的完整性得到了完美的保留。
为了进一步确认样品的微观质量，研究人员使用原子力显微镜（AFM）对样品的表面进行了精细表征。测试结果显示，转移后的样品表面粗糙度极低，非常平整，完全没有传统转移后常见的聚合物残留、表面起伏等问题。
拉曼光谱是石墨烯的 “指纹” 表征手段，能够精准检测石墨烯的缺陷、层数信息。团队用激光拉曼光谱仪对整个 4 英寸晶圆进行了全域的 mapping 测试，结果显示：转移后的石墨烯没有引入任何明显的缺陷，整个晶圆的拉曼信号高度均匀，证明了这次转移是真正的 “无损转移”，完全没有破坏石墨烯的本征质量。
为了看清异质结的原子级界面结构，研究人员使用透射电子显微镜（TEM）对样品进行了截面表征。电镜照片清晰地显示，Sb₂O₃介电层和石墨烯之间的界面非常干净、 sharp，没有任何的污染层，是完美的范德华接触 —— 这也是最终器件能获得优异电学性能的核心保障。
最后，团队完成了场效应器件的制备，并用半导体参数分析仪与探针台系统，对整个晶圆上的数百个器件进行了批量的电学测试。
结果让人惊喜：基于该技术制备的石墨烯器件，最高载流子迁移率达到了 29000 cm²V⁻¹s⁻¹，平均迁移率也高达 14000 cm²V⁻¹s⁻¹；更重要的是，整个 4 英寸晶圆上的器件性能高度均匀，还展现出了优异的长期工作稳定性，完全满足规模化制造的要求。
除此之外，团队还验证了这个方法的普适性，把这个技术用到了 MoS₂等其他二维材料上，同样制备出了性能优异的器件，证明了这个方法的通用价值。
这项成果，不仅首次实现了 4 英寸石墨烯晶圆的无损洁净转移，还同步完成了栅介质层的高质量集成，为二维材料与单晶介电层的转移与集成提供了全新的技术思路，对二维电子器件的规模化制造具有重要的参考价值，也让我们离二维材料的产业化应用，又近了一大步！
本研究得到了国家自然科学基金（批准号：T2188101，52372038）等项目的资助，相关成果以 “Dielectric-assisted transfer using single-crystal antimony oxide for two-dimensional material devices” 为题，于 2025 年 3 月 20 日发表在《自然・电子》（Nature Electronics）期刊上。
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