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研究人员迅速收获2-D材料,使它们更接近商业化。

自从2003年发现被称为石墨烯的单原子厚碳材料以来,对其他类型的二维材料也产生了极大的兴趣。

这些材料可以像乐高积木一样堆叠在一起,形成一系列具有不同功能的器件,包括半导体。通过这种方式,它们可以用来制造超薄、柔性、透明和可佩戴的电子设备。

然而,将块状晶体材料分离成用于电子学的二维薄片在商业规模上证明是困难的。

现有的方法是通过反复将晶体冲压到胶带上,从块状晶体中分离出单个薄片,这种方法不可靠且耗时,需要许多小时来收集足够的材料并形成装置。

现在,麻省理工学院机械工程系的研究人员开发了一种技术,可以在几分钟内收获2英寸直径的二维材料晶片。然后,它们可以在一小时内堆叠在一起形成电子设备。

他们发表在《科学》杂志上的一篇论文中描述了这项技术,据机械工程系副教授金哲焕(Jeehwan Kim)说,这项技术可能为基于各种二维材料的电子设备商业化开辟了道路。

论文的第一作者是参与柔性器件制造的桑红裴和负责二维材料单层堆叠的谢宇森。两人都是基姆集团的博士后。

论文的合著者还包括来自金正日团队的学生和博士后,以及佐治亚理工大学、德克萨斯大学、韩国延世大学和弗吉尼亚大学的合作者。基姆研究小组中的Sang Hoon Bae、Jaewoo Shim、孔维和Doyoon Lee同样对这项工作做出了贡献。

基姆说:“我们已经表明,我们可以在晶圆尺度上通过二维材料的单层隔离来实现单层。”第二,我们已经展示了一种容易堆积这些二维材料的晶圆尺度单层的方法。

研究人员首先在蓝宝石晶片的顶部生长了一层厚厚的2-D材料。然后,他们将600纳米厚的镍膜应用到堆栈的顶部。

由于二维材料比蓝宝石更牢固地粘附在镍上,因此通过剥离薄膜,研究人员可以将整个叠层从晶片中分离出来。

此外,镍与二维材料各层之间的粘附力也大于各层之间的粘附力。

结果,当第二层镍膜被加到堆的底部时,研究人员能够剥离单个的、单原子厚的二维材料单层。

这是因为剥掉第一层镍膜会在材料中产生裂缝,裂缝直接传播到堆的底部,Kim说。

一旦由镍膜收集的第一单层被转移到衬底上,可以对每一层重复该过程。

“我们使用非常简单的力学,并且通过使用这种受控的裂纹扩展概念,我们能够在晶片尺度上隔离单层2-D材料,”他说。

通用技术可用于各种不同的二维材料,包括六角氮化硼、二硫化钨和二硫化钼。

以这种方式,它可以用来制造不同类型的单层2-D材料,例如半导体、金属和绝缘体,然后这些材料可以堆叠在一起形成电子设备所需的2-D异质结构。

“如果你使用二维材料制造电子和光子器件,这些器件将只有几层厚,”Kim说。他说:“它们将非常灵活,可以贴在任何东西上。”

他补充说,这个过程既快又低成本,使其适合商业运作。

研究人员还通过成功制造厚度只有几个原子的晶片级场效应晶体管阵列,证明了该技术。

哈佛大学物理学教授菲利普·金(Philip Kim)没有参与这项研究,他说:“这项工作有很大的潜力将二维材料及其异质结构应用到现实世界中。”

研究人员现在正计划应用该技术开发一系列电子设备,包括非易失性存储器阵列和可佩戴在皮肤上的柔性设备。

他们还感兴趣的是应用这种技术来开发在“物联网”中使用的设备。基姆说。

“你需要做的就是生长这些厚的2-D材料,然后将它们隔离在单层膜中,然后把它们叠起来。所以它非常便宜,比现有的半导体工艺便宜得多。这意味着它将把实验室级的2-D材料带入制造业进行商业化,”基姆说。

这使它非常适合于物联网络,因为如果使用传统的半导体作为传感系统,成本会很高。

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