一种制备二维纳米电子器件的标准且可靠的方法

该方法有助于解答二维材料器件制备领域中的关键问题，特别是关于精确定位二维材料样品以备后续加工步骤的技术。该技术的主要优势在于其专为小尺寸器件的开发而设计，因为在小尺度下材料位置的确定更具挑战性。本次实验操作将由本实验室的研究助理兼研究生 Po-Chun Chen 和 Kristan 进行演示。

该制备过程需要两种预处理的基底。第一种是背面栅极结构的二氧化硅/硅基底，并带有钛和金金属电极阵列。第二种基底是蓝宝石，其上沉积了一层二硫化钼。

将带有二硫化钼的蓝宝石衬底转移至旋涂仪上。以3,500 rpm的转速旋涂PMMA，覆盖二硫化钼表面，持续30秒。随后，将样品转移至加热板，在120摄氏度下烘烤3分钟，以增强PMMA涂层的附着力。

接下来，配制 50 毫升氨水溶液。将样品浸入其中，以分离二硫化钼与衬底。待薄膜分离后，将其从氨水溶液中取出。

将二硫化钼薄膜转移至硅基底的二氧化硅表面。为增强附着性，将样品在120摄氏度下烘烤至少30分钟。取出样品后，放入30毫升丙酮中。

大约30分钟后，PMMA会因颜色变化而被去除。继续操作前，用异丙醇冲洗样品，并用氮气吹干。现在，准备进行电子束光刻。

使用光学显微镜测量样品上目标位置与对准标记之间的位移。根据这些测量结果，使用软件设计金属电极图案布局。在样品表面旋涂光刻胶，并确保其完全覆盖整个样品。

将样品在 100 摄氏度下进行软烘 90 秒，以增强附着力。在电子束光刻机上载入设计文件并放置样品。硅-二氧化硅基底上的对准标记应与设计中的相应标记对齐。

将样品暴露于电子束下。完成后，将样品置于加热板上，在曝光后烘烤步骤中于120摄氏度加热90秒。

接下来，准备一容器四甲基氢氧化铵（TMAH）作为显影液，将样品浸入其中显影80秒。然后，将样品在200毫升去离子水中清洗10秒。使用光学显微镜观察样品，以确定图案是否已充分显影。

如果显影充分，则在110摄氏度下对样品进行坚膜处理90秒。下一步是使用电子束蒸发仪在样品表面沉积100纳米的金。沉积完成后，去除光刻胶。

为了溶解光刻胶，准备100毫升丙酮。将样品浸入丙酮中进行剥离。使用光学显微镜监测该过程，当仅剩金属线和焊盘时停止。

在表征过程中，从器件的电极中选择源极和漏极电极，然后使用原子力显微镜对样品施加负载。图中Xs表示施加负载的位置。原子力显微镜施加的负载会在器件上产生压缩应变。

以下是二硫化钼器件在不同施加力产生压缩应变时的当前电压特性。在给定电压下，随着施加力的增加，器件的电流减小，反之亦然，表明器件电阻发生变化，这是压电传感器预期的行为。这些数据是在1伏固定偏置电压下，二硫化钼器件在重复压缩应变下的电流响应结果。

在重复施加10纳牛的外力时，输出电流几乎不发生变化，表明该传感器具有良好的稳定性。一旦掌握并正确操作，该技术可在连续20小时内完成，包括所有晶体管的制备。该技术在研发完成后，可作为未来纳米器件发展的平台，为先进纳米级器件的制造奠定基础。

观看本视频后，您应能够充分理解如何使用标准制备工艺（包括电子束光刻和金属电沉积）可靠地制备二维背栅晶体管。尽管该方法主要面向二维纳米材料器件的开发，但也可应用于一维材料。请务必注意，操作四甲基氢氧化铵（TMAH）、氨水溶液、PMMA 及其他光刻胶时具有极高危险性，在执行该实验流程时必须始终佩戴个人防护装备。