撰稿 / 張鳳吟(科學推展中心特約編輯)
2維材料的堆疊，特別是不同材料形成的所謂「異質結構」，會改變電子能帶結構與光學性質而有不同的物理行為，為各種奈米元件的應用帶來豐富的可能性。其中，二維過渡金屬硫屬化物(2D-TMDCs)，例如二硫化鉬(MoS2)，因其層與層之間的電子黏著力(凡德瓦作用力)，與其它2維材料(如石墨烯graphene，以下簡稱Gr)組合，可形成凡德瓦異質結構，展現強大的光子-電子交互作用與場效電晶體特徵。Gr的可得性、電導性與對材料的保護力，使其成為合成2D-TMDCs異質結構的主要候選者。
一般兩種不同2維材料結合在一起可有兩種方式：一是利用機械剝離，將一種2維材料轉印(transfer)到另一種2維材料，不過這種方法無法獲得大尺度的均勻度，並且無法精準控制堆疊的層數；另一種稱為濕轉印(wet transfer)，是利用化學氣相沉積法(chemical vaper deposition，CVD)在基板上成長2維材料，以PMMA(polymethyl methacrylate)等高分子作為支撐，將基板剝離的2維材料轉印到不同的基板或2維材料，這種方法可得到大面積連續的2維材料，並保有轉印材料原本的結構。然而後者有PMMA殘留的問題，進而影響Gr的載子濃度與電性品質。熱退火可去除PMMA，不過也會導致Gr的結構損害與變形。
2017年接觸式原子力顯微鏡(contact-mode atomic force microscopy，contact-mode AFM)被提出作為去除PMMA殘餘物的替代方案，可直接以控制的摩擦去除PMMA殘餘物而不需涉及化學反應。國立臺灣師範大學林文欽教授與邱顯智副教授團隊在最新的研究中，利用矽AFM針尖以不同的接觸力摩擦Gr/MoS2異質結構的表面來去除PMMA殘留物，並探討接觸力對異質結構的影響。他們發現，在高的接觸力，Gr結構被AFM針尖損害而裸露出MoS2層，回復MoS2光致發光(photoluminescence，PL)的能力，團隊提出利用這項技術設計圖案化光致發光的可能性，發展獨特的多層2維材料元件。相關研究發表於《應用表面科學》期刊[1]。
團隊結果如下：圖1為不同接觸力下Gr/MoS2與針尖摩擦後的AFM影像、可見光影像，及Gr拉曼光譜結果，圖中的三角形為MoS2。Gr/MoS2已先經歷熱退火過程，圖1a中樣品表面粗糙度隨著接觸力增加而變低，顯示PMMA殘餘物被去除，然而，當力超過220N，Gr的拉曼光譜特徵峰消失(圖1c)，表示Gr結構受到損害。
圖1、不同AFM接觸力下Gr/MoS2 的(a)AFM影像、(b)可見光影像，(c)為摩擦前後的Gr拉曼光譜結果，(d)(e)粗糙度、刮傷比例與接觸力的關係。
Gr/MoS2中MoS2是具有直接能隙的n型半導體，而Gr作為p型材料，照射雷射後，受激發的電子因Schottky能障被困在Gr的低能態，導致無法形成電子電洞對，而降低MoS2光致發光(PL)的強度，隨著AFM針尖的接觸力加大，Gr結構被破壞，MoS2逐漸顯露出來而樣品PL強度增加，至660nN 剩下裸露的MoS2 。
圖2、不同與接觸力下，Gr/MoS2摩擦前後的PL強度關係(藍線)，紅線代表MoS2於Gr轉印前，綠線代表Gr轉印後，虛線代表PL強度隨不同接觸力的發展。
有了系統性對接觸力於表面作用之研究，團隊巧妙利用接觸式AFM在Gr/MoS2上製作微尺度圖案：先以110 nN接觸力有效去除PMMA殘餘物，再以660nN的力刮石墨烯表面一小方塊，如圖3a所示。圖3b為Gr/MoS2 光致發光的原子顯微鏡影像，中間方塊明顯有更強的PL，顯示這個區塊為裸露的MoS2。
圖3、(a) 透過控制AFM接觸力繪製Gr/MoS2上微尺度圖案。(b)Kelvin探針顯微鏡影像與藍線對應的PL強度變化。
在這項研究中，團隊展示以AFM針尖刮搔Gr/MoS2上的Gr來裁製圖案化PL，為未來單層的高度精確2維元件製程提供有前景的道路。
參考文獻
[1] “Photoluminescence patterns via single-layer exfoliation in Gr/MoS2 heterostructure using contact-mode atomic force microscopy”, CM Liu, WH Chang, ED Chu, CH Yin, YW Lan, HC Chiu, WC Lin, Applied Surface Science 644, 158778
