[发明专利]二维材料拉应变工程的激光制造方法

说明书

本发明公开了一种二维材料拉应变工程的激光制造方法，包括以下步骤：首先在基底上沉积金属薄膜，再在金属薄膜上转移二维材料，使用激光直接扫描可将金属薄膜转变为纳米颗粒，最后使用脉冲激光冲击金属纳米颗粒进行处理，使覆盖在纳米颗粒上的二维材料产生局部的应变。本发明的方法可避免二维材料转移到表面粗糙度较大的衬底过程中导致的材料破裂及二次缺陷的产生；选取合适波长和功率的激光扫描金属薄膜能在不损伤二维材料的前提下对其形貌进行可控调整；通过进一步的激光冲击处理，二维材料能产生局部的应变，进而改变二维材料的能带结构，大幅提高二维材料的载流子迁移率等电学性能，可适用于高性能场效应晶体管等电子器件。

技术领域

本发明涉及二维半导体材料应变工程的技术领域，具体涉及一种二维材料拉应变工程的激光制造方法。

背景技术

传统硅基集成电路产业赖以生存的摩尔定律日益逼近物理极限，带来产学界对于集成电路产业未来发展的担忧。这一背景下，二维电子材料如石墨烯、MoS2、WSe2等凭借其独特原子级别的厚度及出色的栅控能力等优势脱颖而出，被视为有望取代硅基材料的后备材料之一，在晶体管领域、光电探测器领域以及存储器领域都有巨大的应用潜力。理论和实验结果表明，机械应变会强烈扰动2D材料的能带结构，从而可以通过机械变形来有效调节其电子和光子性。实际上，这种称为应变工程的原理现在通常用于制造传统的半导体器件。

目前所使用的使二维材料产生应变的方法主要分为两类：面内模式和面外模式。面内模式包括在生长二维材料过程中利用衬底与二维材料间的晶格失配或是热膨胀系数的差异引起二维材料的应变。面外模式包括压缩或预拉伸基板引起二维材料皱折、弯曲弹性基底上的二维材料或在图案化衬底上转移二维材料再通过纳米压印等方式来实现二维材料的应变。这些方法有各自的局限性，如利用晶格失配引起二维材料的应变使用的衬底不适用于电子器件的制备，利用图案化衬底多涉及到电子束光刻等昂贵且耗时长的工艺并且不能够大规模制造。因此，开发一种操作简单且适用于大规模制造的二维材料可控应变的方法具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维材料拉应变工程的激光制造方法，通过激光冲击使得与金属纳米颗粒接触的二维材料产生局部的变形，对二维材料的能带结构进行调整，进而提高二维材料的电学性能并应用于二维材料电子器件。

本发明实现目的所采用的方案是：一种二维材料拉应变工程的激光制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在基底上沉积金属薄膜；

(2)在金属薄膜上转移单层或少层的二维半导体材料；

(3)将覆盖有二维材料的金属薄膜用激光器直接辐照以形成金属纳米颗粒；

(4)使用脉冲激光冲击对激光扫描处理后的金属纳米颗粒进行处理，使覆盖在纳米颗粒上的二维材料产生局部的应变。

作为优选方案，所述步骤(1)中，基底包括Si/SiO₂、Si、石英、蓝宝石。

进一步地，所述步骤(1)中，沉积的金属薄膜包括Au、Ag、Al、Ti、Cu，薄膜厚度为1-20nm。

更进一步地，所述步骤(1)中，沉积金属薄膜的方式为磁控溅射、原子层沉积、化学气相沉积、脉冲激光沉积、电子束蒸发中的一种。

更进一步地，所述步骤(3)中，所使用的激光器类型包括连续激光器、纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器、飞秒脉冲激光器，激光功率大于15W，照射时间小于1min，样品放置在激光焦点处或者离焦1-5cm。

更进一步地，所述步骤(4)中，使用脉冲激光冲击的方法具体为：