浙江大学国际联合学院&新加坡南洋理工大学——二维材料中的界面气泡研究综述
浙江大学国际联合学院&新加坡南洋理工大学——二维材料中的界面气泡研究综述 | MDPI Nanomaterials
期刊名： Nanomaterials
期刊主页： https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials
原文链接： https://www.mdpi.com/2079-4991/15/24/1888
作者简介：
通讯作者
胡欢教授
浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院
博士，浙江大学海宁国际校区长聘副教授，博士生导师。清华本科硕士学位，伊利诺伊大学-厄巴纳香槟分校电子与计算机工程专业获得博士学位。曾在美国IBM沃森研究院作博士后研究员。主要研究先进纳米制造技术、仿生学微纳传感器技术、以及微流控芯片实验室技术。在 PNAS、Nature Communications 等国际期刊，共发表103篇同行评审论文，封面论文6篇，部分成果获得多家主流媒体报道。参编英文书籍4部；获得美国授权专利19项，中国授权专利6项；获得多项创业大赛一等奖。目前担任中国仪器仪表学会微纳器件与系统分会理事、中国微米纳米技术学会微纳米测量与仪器分会理事、浙江省光学学会第八届理事会理事及国际合作工作 委员 会副主任。
作者
黄长进教授
新加坡南洋理工大学机械与航天工程学院
黄长进博士于2018年9月作为助理教授加入新加坡南洋理工大学，于2025年9月升任副教授。他于2008年在中国科学技术大学获得热能与动力工程专业学士学位，并于2014年在宾夕法尼亚州立大学获得工程科学与力学博士学位。在加入南洋理工大学之前，他于2014年至2015年在西北大学机械工程系担任博士后研究员，随后于2016年至2018年在卡内基梅隆大学生物医学工程系担任博士后副研究员。其研究兴趣主要集中于力学、材料、工程与生物学的交叉领域，重点关注软物质与生命系统的力学及其制造技术。
引言：
近年来，二维材料及其范德华异质结构在高性能电子器件、光电子器件和量子器件等领域展现出巨大的应用潜力。然而，在二维材料的制备、转移与堆叠过程中，界面不可避免地会引入空气、水分、溶剂残留及有机污染物，这些杂质在界面处聚集并形成界面气泡 (bubbles)，成为限制器件性能与可靠性的关键瓶颈之一。
界面气泡不仅会引起局部应力集中和结构起伏，还会显著影响载流子输运、热传导及光学响应，严重制约二维材料器件向高一致性、高可靠性和大面积集成方向发展。围绕这一问题，浙江大学国际联合学院的胡欢教授团队联合新加坡南洋理工大学黄长进教授在 Nanomaterials 期刊发表综述文章，系统总结了二维材料界面气泡的形成机制、表征方法、物性影响及去除策略，文章第一作者为浙大硕士研究生杜开泰。
本综述围绕二维材料界面气泡这一缺陷，从材料制备、异质结构构筑到器件性能调控进行了系统梳理。文章依次介绍了界面气泡的形成来源与物理化学特征、常用表征手段、对多物理性能的影响，以及当前主流的气泡去除与界面优化策略，最后对该领域面临的挑战与未来发展方向进行了展望。综述摘要如图1所示。
图1 综述摘要
综述内容：
1. 二维材料制备与界面气泡的形成机制
二维材料通常通过机械剥离、化学气相沉积 (CVD) 或液相剥离等方法制备 (图2)，并通过干法转移、湿法转移或原位生长构筑范德华异质结构。在这一过程中，界面弱范德华相互作用和表面能不匹配使得气体分子、溶剂残留和有机污染物极易被困在层间，进而形成稳定的界面气泡。
研究表明，不同制备与转移路径会导致气泡的尺寸、密度和化学组成存在显著差异。即使在原位生长的异质结构中，由于热应力释放或气体析出，也仍可能产生纳米尺度的界面空腔。这表明界面气泡是一种高度普遍且工艺相关的界面缺陷。
图2 二维材料制备方法 （a）机械剥离法；（b）化学气相沉积法；（c）液相剥离法
2. 界面气泡的多尺度表征方法
为了深入理解界面气泡的结构与演化行为，研究者开发了从宏观到原子尺度的一系列表征技术 (图3)。光学显微镜 (OM) 可用于快速识别气泡分布；原子力显微镜 (AFM) 能够精确测量气泡的高度、半径和形貌，并结合薄膜力学模型提取界面黏附能和内压信息。透射电子显微镜 (TEM) 则可直接观察气泡内部成分及界面结构，是验证界面清洁度的重要手段。此外，拉曼光谱和光致发光 (PL) 映射可无损探测气泡诱导的应变分布和电子结构变化。多尺度表征的结合为系统理解界面气泡提供了关键支撑。
图3 界面气泡的典型表征手段 （a-b）OM表征；（c-d）AFM表征；（e-f）TEM表征；（g-h）Raman/PL表征
3. 界面气泡对材料性能的影响
界面气泡会对二维材料及其异质结构的多种物理性质产生深远影响 (图4)。在力学方面，气泡边缘类似裂纹尖端，会引发显著的应力集中，降低界面稳定性；在电学性能方面，气泡区域往往成为载流子散射和电荷俘获中心，导致迁移率下降和电学不稳定。在热传输过程中，气泡会削弱二维材料与衬底之间的热耦合，显著增加界面热阻；而在光学性能方面，气泡诱导的局部应变和光学干涉效应会导致发光增强、峰位偏移等现象。由此可见，界面气泡并非简单的几何缺陷，而是深刻影响器件多物理性能的关键因素。
图4. 界面气泡对材料性能的影响 (a) 对力学性能的影响；(b) 对电学性能的影响；(c) 对热学性能的影响；(d) 对光学性能的影响
4. 界面气泡的去除与界面优化策略
针对界面气泡问题，研究者提出了多种去除与调控方法，包括热退火、化学辅助处理、AFM机械清扫、电场驱动以及洁净组装策略等 (图5)。热退火通过促进界面污染物迁移与聚集，是目前应用最广泛的方法；化学辅助方法则在温和条件下改善界面润湿性，有利于气泡释放。AFM清洗方法通过局部力控实现对气泡的精准“推挤”，适用于精准的器件级后处理；而洁净组装策略 (如热拾取和无聚合物转移) 则从注重在制备过程中抑制气泡形成。文章还总结了人工智能 (AI) 在气泡识别、工艺参数优化和自动化装配中的新兴应用，为实现高一致性、大面积二维材料异质结构提供了新的思路。
图5. 不同界面气泡去除与调控策略的原理及效果 (a) 热退火；(b) 化学辅助处理；(c) AFM机械清扫；(d) 电场驱动；(e) 清洁组装
5. 总结
界面气泡是二维材料及其范德华异质结构中普遍存在却长期被低估的重要界面问题。随着二维材料器件向高性能、长寿命和大面积集成方向发展，对界面清洁度和可控性的要求日益提高。本文系统回顾了界面气泡的形成机制、表征方法、物性影响及去除策略，为理解和调控二维材料界面提供了清晰的研究框架。
未来，随着原位表征技术、智能工艺控制和AI辅助制造的发展，界面气泡的精准调控乃至功能化利用有望成为二维材料研究的新方向。本综述可为二维材料及相关器件研究人员在界面工程与工艺优化方面提供有价值的参考。
Du, K.; Qiao, B.; Ding, X.; Huang, C.; Hu, H. Bubbles in 2D Materials: Formation Mechanisms, Impacts, and Removal Strategies for Next-Generation Electronic Devices. Nanomaterials 2025 , 15 , 1888. https://doi.org/10.3390/nano15241888
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Nanomaterials 期刊介绍
主编：Eugenia Valsami-Jones, University of Birmingham, UK
期刊聚焦纳米材料科学领域的研究，旨在发表纳米材料制备、表征和应用各个方面的研究。目前期刊已被Scopus、SCIE (Web of Science)、PubMed、PMC、Embase、CAPlus / SciFinder、Inspect等数据库收录。
2024 Impact Factor：4.3
2024 CiteScore：9.2
Time to First Decision：14 Days
Acceptance to Publication：2.5 Days