摘要：二维材料因其具有原子级薄的通道并能够维持高载流子迁移率，因此可能成为下一代电子设备的关键材料，广泛应用于电子学、光电子学等领域。与传统的半导体材料（如硅）相比，二维材料在高效能、柔性电子和透明器件等方面具有显著的优势。然而，在实际应用中，二维材料的集成仍然面临

研究背景

二维材料因其具有原子级薄的通道并能够维持高载流子迁移率，因此可能成为下一代电子设备的关键材料，广泛应用于电子学、光电子学等领域。与传统的半导体材料（如硅）相比，二维材料在高效能、柔性电子和透明器件等方面具有显著的优势。然而，在实际应用中，二维材料的集成仍然面临着许多挑战，其中包括如何实现高质量的介电材料与二维通道材料的集成。现有的介电材料通常存在漏电流高、界面污染等问题，制约了器件的性能和稳定性。因此，如何制备和集成优质的介电材料，尤其是在保证低泄漏电流和高栅极电容的前提下，成为当前的一大挑战。

成果简介

为了解决这些问题，北京大学前沿交叉学科研究院刘忠范院士团队、张艳锋教授以及林立教授等人携手在Nature Electronics期刊上发表了题为“Dielectric-assisted transfer using single-crystal antimony oxide for two-dimensional material devices”的最新论文。

该团队设计并制备了单晶氧化锑（Sb₂O₃）薄膜，并成功实现了其在石墨烯覆盖的Cu(111)衬底上的外延生长。该方法利用Sb₂O₃作为介电材料，显著提高了石墨烯器件的性能，特别是在载流子迁移率、电子均匀性和长期稳定性方面。

通过该方法，研究人员不仅实现了高质量的Sb₂O₃薄膜生长，还成功将其转移到其他应用特定的衬底上，解决了传统转移方法中常见的裂纹和皱纹问题。此外，该团队还展示了以Sb₂O₃为顶栅介电材料的二硫化钼（MoS₂）器件，获得了开/关比为10⁸、亚阈值摆幅为64 mV/dec的优异电子性能。

研究亮点1. 实验首次合成单晶Sb₂O₃薄膜并在石墨烯覆盖的Cu(111)表面上实现外延生长，得到高质量的二维介电材料。该方法成功地制备了2纳米厚的单晶Sb₂O₃薄膜，展示了优异的电子性能，泄漏电流低于10⁻⁵ A/cm²，且等效氧化物厚度为0.6纳米。2. 实验通过Sb₂O₃薄膜的共形生长，成功实现了石墨烯的无损转移，并在四英寸晶圆上制造出高性能的石墨烯器件。器件展示了最大载流子迁移率为29,000 cm²V⁻¹s⁻¹，平均载流子迁移率为14,000 cm²V⁻¹s⁻¹，具有优异的电子均匀性和长期稳定性。3. 实验还将Sb₂O₃薄膜作为介电材料应用于二硫化钼（MoS₂）器件，并获得了开/关比为10⁸、亚阈值摆幅为64 mV/dec的优良性能。这表明Sb₂O₃薄膜不仅适用于石墨烯，还能广泛应用于其他二维材料的器件中。图文解读

图1：单晶Sb₂O₃在石墨烯覆盖的Cu(111)表面上的外延生长。

图2：Sb₂O₃薄膜辅助的二维材料晶圆级转移。

图3：石墨烯转移并被Sb₂O₃薄膜覆盖后的电子性能。

图4：以s-Sb₂O₃作为顶栅介电材料的石墨烯和MoS₂器件。

图5：二维材料的图案化转移及vdW异质结构的制造。

结论展望

本文的研究为二维材料器件的制造提供了新的解决方案，尤其是在高质量介电材料的制备与集成方面。通过首次成功实现了单晶Sb₂O₃薄膜的外延生长，并将其与石墨烯结合，本文展示了如何在保持高性能的同时解决传统介电材料在转移过程中出现的裂纹和皱纹问题。该方法不仅实现了薄至2纳米的介电薄膜，而且使得晶圆级转移变得更加高效，具有优异的电子均匀性和长期稳定性，为未来的批量生产提供了可靠的技术路径。此外，利用s-Sb₂O₃薄膜作为介电层与其他二维材料（如MoS₂）结合，进一步拓宽了该技术的应用范围，尤其在高开/关比和低亚阈值摆幅的器件中展现了巨大潜力。

文献信息

Liao, J., Zhao, Y., Chen, X. et al. Dielectric-assisted transfer using single-crystal antimony oxide for two-dimensional material devices. Nat Electron (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01353-x

来源：MS杨站长