在蓝宝石衬底上生长的二维材料的基于水的大尺度转移

安全移动原子厚度材料

未来的电子器件可能由仅几层原子厚的材料片构成，承诺带来超高速、低功耗的芯片和传感器。但存在一个现实问题：许多这类脆弱薄膜必须在高温下在特殊晶体上生长，然后将其温和地移动到工业上常用的较冷硅片上。本文描述了一种出人意料地简单的方法，仅用纯化水和塑料框架就能转移这些原子薄层。

超薄层为何重要

像二硫化钼（MoS2）和六方氮化硼（h-BN）这样的二维材料仅厚几层原子，却能充当优良的半导体或绝缘体。它们是新型晶体管、存储单元和光学器件的有前景构件。如今这些材料常在蓝宝石上生长——蓝宝石是一种耐高温且透明的硬晶体，有助于材料有序排列。然而，现代芯片厂依赖硅片，蓝宝石上生长所需的高温并不易于标准生产线整合。因此，可靠地将这些脆弱薄膜从蓝宝石剥离并无损地置于硅片上变得至关重要。

强烈化学品的问题

传统的转移方法使用诸如氢氧化钾（KOH）等强碱来蚀刻或弱化薄膜与蓝宝石之间的结合。研究者通常先在薄膜上涂覆保护性塑料，然后将样品手持置于化学浴中，“打捞”漂浮的薄膜到新的基底上。这种方法操作繁琐且有风险：要求手稳并佩戴防护装备，容易导致薄膜折叠或撕裂，甚至可能改变材料的微观结构。由于这些原子薄层对环境极为敏感，化学暴露可能引入缺陷、额外晶粒或不希望的电荷，从而削弱器件性能。

让水来完成工作

作者基于理论研究提出的思路：当蓝宝石和二维材料都亲水时，水可以渗入它们之间的微小间隙，帮助将二者分开。他们先在材料上覆盖一层薄塑料支撑，并连接由胶带和塑料薄膜制成的简单框架。把装架的样品以轻微倾斜置于烧杯或水槽中，然后缓慢注入去离子（高纯）水。水的表面张力使框架漂浮并对带塑料支撑的薄膜产生向上的轻拉，而单个水分子则沿界面进入蓝宝石与薄膜之间。经过几分钟，这一合力将整片薄膜从晶体上干净地剥离，使其漂浮在水面上。漂浮的薄片随后可引导到硅片上、干燥并去除其塑料支撑，整个过程无需使用酸或碱。

显微镜下检查薄膜

为检验这种看似温和的方法是否真正保持了材料质量，团队在转移前后使用多种高分辨率工具检查薄膜。原子力显微镜和电子显微镜显示，h-BN 表面保持平滑，颗粒或损伤没有显著增加；在透射电子显微镜下原有的层状结构在原子尺度上依然完整。对于 MoS2，生长时形成的微小晶粒和垂直纳米片仍然存在，仅观察到纳米级颗粒的轻微增加——很可能是塑料残留。精细的光散射测量（拉曼和光致发光）表明，两种材料在从蓝宝石转移后都经历了内应力（压应力）的释放，但未显示出额外缺陷或有害掺杂的迹象。换言之，薄膜在力学上得到松弛，同时电子品质未受损害。

从小芯片到整片硅片

关键是，研究者将该技术从小面积样片推广到整片晶圆。他们使用相同的基于水的方法及更大的框架与支撑，将在100 mm蓝宝石晶圆上生长的 MoS2 成功转移到涂有氧化层的更大硅片上。对大面积的薄膜性质映射显示覆盖近乎完整——约99.7%——仅有少数微小空隙或测量失败。整体表现出内应力降低且材料质量保存的特征，与小样品结果相符，表明该方法稳健且可扩展到工业相关的尺寸。

为未来芯片提供温和剥离法

通俗地说，这项工作表明经过精心设计的“水力提升”可以在不用强化学品或复杂操作的情况下，将超薄、脆弱的材料从一固体表面转移到另一固体表面。利用表面张力和机械框架，该工艺能干净地剥离薄膜，使其在置于硅上时得到松弛并几乎不受损。这种对环境更友好、更安全的方法有望促进下一代原子厚材料向主流芯片制造的整合，使实验室示范更接近实际的大规模电子与存储器件应用。

引用: Rademacher, N., Völkel, L., Reato, E. et al. Water-based, large-scale transfer of 2D materials grown on sapphire substrates. npj 2D Mater Appl 10, 48 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00696-z

关键词: 二维材料, 基于水的转移, 二硫化钼, 六方氮化硼, 蓝宝石到硅