Tc=86K、Jc=1.34 kAcm²——零化学处理的BSCCO扭转结超导性能与体材料一致

1 背景与问题

二维范德华材料的异质结构组装为创造新型功能器件提供了巨大的物理空间。通过将不同性质的二维材料（如石墨烯、六方氮化硼h-BN、过渡金属硫族化合物TMDCs）堆叠，科学家可以在单个人工材料系统中集成截然不同甚至相互竞争的物理特性。

然而，这一领域的快速发展面临着严峻的制造工艺挑战。传统的异质结构制造方法主要依赖于“自上而下”的机械剥离和转移技术。目前主流的转移工艺通常使用聚碳酸酯（PC）或聚丙烯碳酸酯（PPC）基的压印过程。这些方法虽然灵活，但在最终步骤中必须使用有机溶剂（如氯仿）来溶解聚合物薄膜。

对于化学敏感材料而言，这种化学处理是致命的。以高温铜氧化物超导体BSCCO（Bi2Sr2CaCu2O8+x）为例，其在环境气氛中极不稳定：

(1) 超过 200 K 时，晶格中的氧原子会发生外扩散，导致超导性能退化；

(2) 极易吸附水分子，导致表面迅速恶化。

尽管通常使用h-BN封装来减缓降解，但在标准PC/PPC转移过程中，有机溶剂仍可能渗透至异质结构界面，对器件性能造成不可逆的损害。因此，如何在不使用任何化学试剂和机械外力的情况下，构建高质量的化学敏感异质结，成为制约二维超导材料研究的关键瓶颈。

2 核心方案

为了解决上述问题，研究团队开发了一种基于低温干法剥离的改进型微操纵技术。该技术完全摒弃了化学处理过程，利用聚合物PDMS（聚二甲基硅氧烷）的玻璃化转变特性，在低温环境下实现晶体的无损解理和转移。

核心技术原理

该方案的核心创新在于利用PDMS在低温‑120 °C 下的物性变化：

(1) 低温环境控制：所有操作均在充满氩气的手套箱内进行，确保无水无氧环境；

(2) PDMS玻璃化转变：当温度降至 ‑120 °C 时，PDMS进入玻璃态。此时，原本柔软的聚合物弯月面硬化，能够精确地“切入”BSCCO晶体层间，将其劈裂为两部分；

(3) 无外力解理：与传统的机械剥离不同，该方法不依赖外部机械拉力，而是利用聚合物相变产生的内应力进行解理，极大地减少了裂纹和微观损伤的风险；

(4) 精准堆叠：通过半球形PDMS印章精确控制弯月面流动，实现晶体的拾取和旋转堆叠，扭转角精度可达 ± 0.5°。

图1. (a) 低温剥离装置示意图。(b)低温载台照片。(c)手套箱内低温剥离装置的照片。示意图使用Blender软件绘制。

实验流程

实验采用定制的低温级装置，通过液氮循环冷却。具体步骤如下：

(1) 步骤 1：在SiO2/Si基底上初步剥离BSCCO薄片；

(2) 步骤 2：在 ‑25 °C 下将半球形PDMS印章附着于薄片上；

(3) 步骤 3：降温至 ‑120 °C，PDMS发生玻璃化转变，自动完成BSCCO薄片的再剥离；

(4) 步骤 4：快速旋转印章至目标角度，重新附着在基底薄片上；

(5) 步骤 5：升温至 10 °C，PDMS粘附力降低，自动释放薄片，形成BSCCO结；

(6) 步骤 6：通过掩膜版蒸发沉积电极。

图2.扭曲BSCCO器件的低温制备工艺。步骤1：在SiO₂/Si基底上剥离BSCCO薄膜，并在显微镜下进行观察确认。步骤2：将半球形PDMS压印片在-25°C下固定于已剥离的BSCCO薄膜上。步骤3：将载物台冷却至-120°C，使PDMS压印片进入玻璃化转变温度区间，导致BSCCO薄膜重新剥离。步骤4：迅速旋转PDMS压印片至所需角度，并将其贴附到基底的BSCCO薄膜上。步骤5：将载物台升温至10°C，然后移除PDMS压印片，从而在SiO₂/Si基底上形成BSCCO结。步骤6：将SiN掩膜与已制备的堆叠结构对准，并通过蒸发法在其上沉积电极。在步骤1、4、5和6中，双向箭头标示了对应步骤的示意图及光学图像。

3 实验结果与分析

为了验证低温干法剥离技术制备器件的高质量，研究团队利用Lakeshore低温探针台（Lakeshore CRX-6.5 K）对制备的BSCCO和NbSe2扭转异质结进行了详细的电学输运测量。

3.1 BSCCO高温超导器件性能

对于0° 扭转的BSCCO器件器件，四探针电阻随温度变化（R-T）的测量结果显示：

(1) 临界温度 (Tc)：测得的Tc为 86 K，这与Bi-2212相BSCCO晶体的 reported values 完全一致，表明低温剥离过程未引入损伤或杂质；

(2) 临界电流密度 (Jc)：在 70 K 温度下，器件的临界电流 Ic 为 1.2 mA，换算得出的临界电流密度 Jc 为 0.34 kA/cm²；

(3) IV特性：直流I-V特性曲线显示了从超导态到正常态的清晰转变，且观察到多次离散的电流跳跃，这对应于界面约瑟夫森结以及c轴本征约瑟夫森结的开关行为。

图3. (a) 0°扭转BSCCO器件的光学图像。(b) 0°扭转器件的结区（BD电极）和原始BSCCO片材（BC电极）对应的电阻（R）与温度（T）数据。(c)在70 K下测得的0°扭转器件的电流密度与电压（J–V）特性。(d) 0°扭转器件直流I–V特性的彩色标度图，随温度变化。白色阴影圆顶区域为器件的超导输运区段。

3.2 NbSe2低温超导器件性能

研究团队还将该方法应用于NbSe2材料：

(1) 临界温度：测得Tc为 6.2 K，与NbSe2的体材料性质高度吻合；

(2) 临界电流密度：在 5.7 K 下，Jc达到 1.15 kA/cm²，优于文献中报道的约 6° 扭转器件的数值（1.08 kA/cm²）；

(3) 真空环境测试：器件制备完成后立即加载至 2.5 × 10^-6 mbar 的真空腔室中进行测试，避免了环境降解。

图6. (a) 扭曲NbSe2器件的光学图像。(b) 0°扭曲NbSe2器件的R vs T特性曲线。(c)在5.7 K下测得的器件直流I-V特性曲线。

3.3 多种材料的普适性

实验表明，该低温干法方法对多种二维材料有效，包括CrCl3、MoS2、WSe2、GeBi2Te4等。特别是对于化学不稳定的材料（如GeBi2Te4），这种完全消除化学处理的组装方式具有显著优势。

4 产品介绍

HeFans（HRH-C）

低温真空探针台

HeFans-HRH-C是一款闭循环低温真空探针台，用于低维材料、量子器件和半导体器件的低温电学测量。系统集成4.5 K级制冷、真空环境、多探针定位与fA级弱电流测试。适用于二维材料输运、量子器件、多电极器件和温度依赖电学研究。二维材料、超导器件、量子输运和低温传感研究越来越依赖低噪声、多电极和可重复的低温探针接触。HeFans-HRH-C将闭循环制冷、真空和多探针测量结合，适合温度依赖IV、栅控输运、弱电流及器件低温稳定性实验。

4.1 技术特点

(1) 覆盖4.5 K-350 K宽温区，采用闭循环氦制冷，减少液氦消耗和长期运行成本；

(2) 低温基础真空优于5×10^-5 mbar，并配置真空泵，支持低温、真空耦合实验；

(3) 配置3-6组探针臂，漏电流小于100 fA@1 V，并具备不低于50欧姆的匹配阻抗，DC至GHz级射频探针能力，兼顾低漏电与高速测量；

(4) XYZ三维调节覆盖2-6英寸样品范围，兼顾低温条件下的扎针定位和多点测试；

(5) 多探针XYZ定位支持多电极器件原位接触，适合温度扫描过程中连续记录电阻、IV和栅控输运变化。

4.2 产品优势

(1) 具备4.5 K低温、真空、低振动、fA级电学测量能力，可面向常规器件、敏感量子与低维器件测试；

(2) 无液氦运行降低实验依赖和维护负担，适合高频次科研使用；

(3) 相较通用光学低温恒温器，探针台架构更适合多电极器件和原位电学测量；

(4) 闭循环运行降低耗材依赖，多探针结构又比普通光学低温恒温器更适合器件原位电学测量。

本研究开发的低温干法剥离技术，通过PDMS在-120°C玻璃化转变实现零化学处理的范德华异质结构筑，成功制备Tc达86 K、Jc达0.34 kA/cm²的BSCCO扭转结，性能与体材料一致。东谱科技HeFans-HRH-C低温真空探针台，集成4.5 K闭循环制冷与fA级弱电流测试，为二维材料输运、超导器件及约瑟夫森结特性表征提供低温电学测量解决方案，助力化学敏感材料异质结的高效研发。

原文参考：Pick‑up and assembling of chemically sensitive van der Waals heterostructures using dry cryogenic exfoliation