(相关资料图)

近日，由香港城市大学、香港理工大学、以及淮阴师范学院的科研人员组成的一支合作团队，利用冰的可控粘附性实现了二维材料的转移。
一直以来，二维材料的转移，特别是要清除转移过程带来的有机残留物是十分困难的，这导致了二维材料的质量大为降低。之前很多研究人员曾尝试使用液态水表面直接转移二维材料，但效果不佳，这主要是因为液态水表面缺乏稳定性，因此香港城市大学团队决定使用“固态水”，即冰来代替。他们开发的冰辅助转移/压印方法从根本上解决了困扰科学界十多年的污染问题。
冰的粘附特性为科学家所熟知，也为我们中的任何一个人所熟知，曾经舌头被冰棒黏住的经历。但它在二维材料上的应用直到现在才被探索。但这条路并不容易，该团队在成功之前必须处理几个关键问题。“我们必须找到一种方法来制造一个平坦的冰表面来进行转移。”
团队带头人 Ly Thuc Hue 教授意识到。冰冻表面通常很粗糙，使其不适合转移极薄的二维材料，因为当支撑表面不均匀时，它往往会破坏转移的材料。二维材料非常薄，即使有微小的杂质也可能破坏整个材料的性能。
冰表现出很强的氢键作用，增强了二维材料样品与冰之间的粘附力，确保了样品从原表面成功剥离。冰对固体表面具有较强的粘附力，而这种粘附力跟环境的温度有关。
一般而言，环境温度越低，冰的粘附力越强。使用胶带的粘性也可以实现二维材料的转移与制备，但是缺点在于胶带上的样品通常不能完全释放，因为一般胶带的粘性是不可控的。而在这次报道的冰转移工艺中，可以在相对低温的条件下将样品从原衬底中剥离，再通过提高温度实现样品的完全释放，从而实现样品的转移。
前期探索中，该团队遇到了不少困难，其中一个是某些样品跟衬底结合力很强，难以用冰将样品完全从衬底中剥离。对此他们想了两个策略：一是上面提到的降低温度，增加冰的粘附力；二是在降温前，先提高温度，促进水分子进入到样品与衬底的界面中（water intercalation），从而降低样品与衬底的结合力。
这两个策略都能极大增加样品的转移率。同时，二维材料表面的冰由于保存了液态的表面张力往往呈现圆弧状，而该团队发明了一种倒转衬底方法，将水层夹在三明治结构中凝固，来实现表面足够平整的冰，可用于后面的转移。
（来源：Advanced Materials）
日前，相关论文以《冰的受控粘附——走向超净二维材料》（）为题发在 Advanced Materials 上，刘海俊是第一作者，香港城市大学 Ly Thuc Hue 教授、香港理工大学赵炯教授、以及淮阴师范学院邓庆明教授担任共同通讯作者 [1]。
图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）
二维材料冰转移法最大的应用场景是半导体制备工艺。在半导体器件制备中，样品的表面洁净度对器件性能是有很大影响的，对于用二维材料作为沟道材料的微器件更是如此。
目前他们已经在着手申请相关专利，相信这项技术能够给半导体制备乃至芯片产业带来帮助。
这项研究刚开始的时候整个团队都特别兴奋，在确定了原理上的可行性后，他们几乎当天就拟订了实验方案。而后来便是持续了很长时间的实验失败，当初的热情与兴奋也很快被浇灭。然而，就是在后来一次次枯燥的重复与坚持中，这个工作得以完成。论文的第一作者刘海俊由此意识到: “科学研究往往是单调的，单调是科研的常态。但对求知的欲望以及最终得到成果的喜悦足以盖过实验的单调。”
（来源：Advanced Materials）
此外，刘海俊表示：“很多人将我们这个工作的成功归结于灵感，但我认为更重要的是敢于尝试。从我们有了初步的设想，到真正成功转移出一个完整的样品，花了差不多半年时间。在这个阶段我不断尝试，也不断失败，期间有过放弃的想法，但很幸运我坚持了下来并摸索出了合适的条件。”
图|Dr Ly Thuc Hue Research Group @ CityU（来源：Dr Ly Thuc Hue）
图|刘海俊（来源：刘海俊）
与此同时，近期 Ly Thuc Hue 团队还仔细研究了二维材料和二维限域冰之间的摩擦力，发现了二维冰和二维材料之间还存在超润滑的现象 [2]。
基于本次工作，未来他们将专注于开发和拓展它的应用范围。如上面提到，二维材料的表面洁净度在很多应用场景都是至关重要的。对此，该团队计划将冰转移法应用到二维异质结的制备中，一个完全洁净无污染的界面也许会带来意想不到的性能。
参考资料：
1. Liu, H., Thi, Q. H., Man, P., Chen, X., Chen, T., Wong, L. W., ... & Ly, T. H. (2023). Controlled Adhesion of Ice—Toward Ultraclean 2D Materials.Advanced Materials, 2210503.（US provisional patent filed, US63/344,970）
2. Quoc H., P. Man, H. Liu, L. Huang, X. Chen, C.-S. Lee, … & Thuc Hue Ly*. (2023). Ultrahigh Lubricity between Two-Dimensional Ice and Two-Dimensional Atomic Layers. Nano Letters, 23, 1379.
运营/排版：何晨龙
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