二维材料具有原子级厚度和非常高的比表面积，并且由于所有原子处于表面导致其表面对表面吸附和外界环境十分敏感。二维半导体材料在电子学与光电子学器件领域具有广阔的应用前景，有望取代硅成为下一代小型化电子器件的核心材料。为了实现此类应用，首先需要对材料进行剪裁。通过常规的微纳加工技术，包括光刻和反应离子干法刻蚀或者化学溶液湿法腐蚀，可以对其进行加工剪裁。然而在这些加工步骤中，二维材料需要接触光刻胶、溶剂以及高能离子等，这不可避免的带来了样品的表面污染以及边界钝化等问题。在电子学器件工作过程中，污染物作为电子散射中心，降低了材料的导电性，从而影响器件性能的提升，并且这种现象对于二维材料电子器件尤为明显。因此，如何实现大面积二维材料的无污染图案化剪裁是一个亟待解决的科学问题。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室N07组博士生魏争，在导师张广宇研究员的指导下，发展了一种全新的二维材料图案化的方法。类似于传统的雕刻技术，该方法利用在手套箱中搭建的电动位移系统，通过金属钨针尖在二维材料表面的机械刮擦实现直写图案化。该直写图案化方法具有大面积，快速，低成本等优势，并且无需掩膜版、化学溶剂或者高能离子辅助，裁剪下多余的材料易于去除，最终得到的样品表面与边界都极其洁净。值得注意的是，该方法适用于晶圆级尺寸二维材料的图案化加工，其精度能够达到约1微米，逼近紫外光刻精度。另外，图案化加工系统位于手套箱惰性气体氛围中，为加工易氧化的样品提供了有利条件。他们进一步将该方法得到的二硫化钼条带作为沟道材料，结合转移电极的方法，制备了无需曝光的高质量场效应晶体管器件，该器件具有非常高的场效应迁移率和电流开关比，并且电极与沟道材料之间的接触电阻和肖特基势垒高度可以有效地降低。

该直写图案化方法对于各种不同类型的二维和薄膜材料包括石墨烯、二硫化钼、氮化硼、金属薄膜、氧化物薄膜、有机物薄膜等均具有普适性。直写图案化为制备高质量、超洁净的电子学与光电子学器件提供了一种简单、高效、低成本的新策略。该工作近日发表于2D Materials 7, 045028 (2020)。该项研究工作得到了国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、中科院前沿科学重点研究项目、国家重点研发计划和中国科学院青年创新促进会的资助。

文章链接: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/aba99f

图：单层二硫化钼的直写图案化。(a) 直写图案化实验装置；(b) 直写过程示意图；(c) 图案化的晶圆级单层二硫化钼；(d) 蓝宝石衬底上各种图案的单层二硫化钼的光学显微镜图像。