【康沃真空網(wǎng)】近年來，二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于在電子、光電及自旋器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力而得到了人們的廣泛關(guān)注。然而，制備表面高度潔凈的二維材料以及界面原子級(jí)平整干凈的二維異質(zhì)結(jié)仍然十分困難，尤其對(duì)于表面敏感的二維材料而言更是如此。 

　　制備二維材料的方法主要分為兩大類：以分子束外延（MBE）和化學(xué)氣相沉積為代表的“自下而上”法和以機(jī)械剝離為代表的“自上而下”法。 

　　其中，“自下而上”法由于受到生長動(dòng)力學(xué)的制約，僅能在特定襯底上制備特定的二維材料，并且制備出的二維材料通常具有確定的取向，因此極大地限制了可獲得的二維異質(zhì)結(jié)的種類。相比于“自下而上”的材料合成策略，以機(jī)械剝離為代表的“自上而下”方法具有操作簡單、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)于范德瓦爾斯材料而言可以很容易地制備傳統(tǒng)生長方法難以實(shí)現(xiàn)的少層樣品和轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)。

　　然而，傳統(tǒng)的機(jī)械剝離方法是在大氣或手套箱中進(jìn)行，仍然存在很多問題：

　?。?）環(huán)境的污染將引入大量的雜質(zhì)或缺陷。即使對(duì)于穩(wěn)定的二維材料（比如石墨烯），這種方法制備的樣品，如未經(jīng)退火處理，傳入真空后，由于表面吸附了大量的雜質(zhì)，難以利用ARPES、STM等表面敏感的技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，而高溫退火可能引入更多的雜質(zhì)或缺陷。

　　（2）很多單晶表面在空氣中甚至低真空環(huán)境下不能穩(wěn)定存在，比如Si(111)-7×7、Cu(111)、Fe(100)等，這些材料的表面必然會(huì)被氧化并吸附大量的雜質(zhì)。

　　因此，傳統(tǒng)的機(jī)械剝離方法無法制備二維材料與這類襯底構(gòu)筑的異質(zhì)界面。

　　最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心SF9組的馮寶杰特聘研究員、陳嵐研究員、吳克輝研究員與SC7組周興江研究員、北京理工大學(xué)的黃元教授合作，指導(dǎo)博士生孫振宇、韓旭等，自主設(shè)計(jì)并搭建了一套超高真空環(huán)境下的二維材料機(jī)械剝離-堆垛系統(tǒng)。

　　他們將機(jī)械剝離技術(shù)與超高真空MBE技術(shù)結(jié)合到一起，在本底真空 10-10 mbar量級(jí)的環(huán)境中，利用MBE技術(shù)制備了多種原子級(jí)平整、潔凈的表面，并利用機(jī)械剝離技術(shù)在這些襯底上成功剝離了多種單層和少層二維材料。

　　設(shè)備的工作原理圖如1所示，所有操作均在超高真空中完成。首先，他們利用高溫退火、離子濺射、等離子體刻蝕、MBE生長等多種表面處理技術(shù)獲得原子級(jí)平整、潔凈的表面。表面的質(zhì)量可以通過原位的掃描隧道顯微鏡、低能電子衍射、角分辨光電子能譜等超高真空表面分析手段進(jìn)行確認(rèn)。

圖1 超高真空中機(jī)械剝離二維材料

　　然后，他們?cè)诔哒婵罩袑⒍S材料進(jìn)行解理，獲得新鮮的表面，并輕壓到襯底表面上。最后，他們將系統(tǒng)加熱并分離，獲得了多種單層和少層二維材料。利用該方法，他們不僅重復(fù)了大氣下的金輔助剝離技術(shù)，而且成功獲得了多種以前未報(bào)道過的二維異質(zhì)結(jié)，包括Bi-2212/Al?O?、Bi-2212/Si(111)、MoS?/Si(111)、MoS?/Fe、MoS?/Cr以及FeSe/SrTiO?（任意角度）等。

圖2 在單晶襯底上獲得的超薄二維材料

　　為進(jìn)一步展示該系統(tǒng)的能力，他們選擇了兩個(gè)體系作為示例。

　?。?）利用金輔助剝離技術(shù)，他們?cè)诔哒婵罩兄苽涑隽撕撩准?jí)的單層黑磷樣品，并利用原位的低能電子衍射、角分辨光電子能譜對(duì)樣品進(jìn)行了表征，觀察到了清晰的衍射斑點(diǎn)和沿高對(duì)稱方向的空穴型能帶（圖3）。這是國際上首次對(duì)單層黑磷進(jìn)行的相關(guān)測(cè)量。

圖3 大面積單層黑磷的真空原位LEED和ARPES表征

　?。?）為了揭示不同金屬襯底對(duì)二維材料物性的影響，他們研究了單層MoS?和WSe?在不同金屬表面的光學(xué)性質(zhì)（圖4）。通過測(cè)量不同金屬上單層WSe?的熒光光譜，他們意外地發(fā)現(xiàn)，除了Au襯底以外，剩下的Ag、Fe、Cr等表面均不淬滅WSe?的特征A激子發(fā)射，且峰位略有偏移。通過拉曼光譜，他們發(fā)現(xiàn)在Au和Ag表面上的MoS?，其特征拉曼峰E?g和A?g除頻率移動(dòng)外，展現(xiàn)出了奇特的劈裂行為。

圖4 不同金屬表面單層WSe?和MoS?的光學(xué)響應(yīng)

　　本工作為進(jìn)一步制備高質(zhì)量的二維材料及異質(zhì)結(jié)樣品、研究材料的本征物性以及界面演生現(xiàn)象提供了一種全新的方法。相關(guān)成果以“Exfoliation of 2D van der Waals crystals in ultrahigh vacuum for interface engineering”為題發(fā)表在Science Bulletin上（doi.org/10.1016/j.scib.2022.05.017）。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、北京市自然科學(xué)基金、中科院國際合作項(xiàng)目以及中科院先導(dǎo)B等項(xiàng)目的資助。