自2003年發(fā)現(xiàn)稱為石墨烯的單原子厚碳材料以來，人們對(duì)其他類型的2-D材料也產(chǎn)生了濃厚的興趣。

這些材料可以像樂高積木一樣堆疊在一起，形成一系列具有不同功能的設(shè)備，包括作為半導(dǎo)體運(yùn)行。通過這種方式，它們可用于制造超薄，柔韌，透明和可穿戴的電子設(shè)備。

然而，已證明將塊狀晶體材料分離成用于電子器件的2-D薄片在商業(yè)規(guī)模上很難做到。

通過將晶體反復(fù)沖壓到膠帶上而將單個(gè)薄片從塊狀晶體中分離出來的現(xiàn)有方法是不可靠且耗時(shí)的，需要數(shù)小時(shí)才能收獲足夠的材料并形成裝置。

現(xiàn)在麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的研究人員開發(fā)出一種技術(shù)，可以在幾分鐘內(nèi)收集2英寸直徑的二維材料晶圓。然后可以將它們堆疊在一起以在一小時(shí)內(nèi)形成電子設(shè)備。

根據(jù)機(jī)械工程系副教授Jeehwan Kim的說法，他們?cè)?ldquo; 科學(xué) ”雜志上發(fā)表的一篇論文中描述的技術(shù)可以開辟基于各種二維材料商業(yè)化電子設(shè)備的可能性。領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

該論文的共同第一作者是參與柔性器件制造的Sanghoon Bae和負(fù)責(zé)堆疊2-D材料單層的Jaewoo Shim。兩人都是金氏集團(tuán)的博士后。

該論文的共同作者還包括Kim集團(tuán)內(nèi)部的學(xué)生和博士后，以及佐治亞理工學(xué)院，德克薩斯大學(xué)，韓國(guó)延世大學(xué)和弗吉尼亞大學(xué)的合作者。Kim的研究小組的Sang-Hoon Bae，Jaewoo Shim，Wei Kong和Doyoon Lee同樣為這項(xiàng)工作做出了貢獻(xiàn)。

“我們已經(jīng)證明，我們可以在晶圓級(jí)上進(jìn)行單層單層隔離二維材料，”Kim說。“其次，我們已經(jīng)展示了一種輕松堆疊這些晶圓級(jí)單層二維材料的方法。”

研究人員首先在藍(lán)寶石晶圓上生長(zhǎng)了一疊厚厚的二維材料。然后，他們?cè)诙询B頂部涂上600納米厚的鎳膜。

由于二維材料對(duì)鎳的附著力比藍(lán)寶石強(qiáng)得多，因此剝離這種薄膜使研究人員能夠?qū)⒄麄€(gè)疊層與晶圓分離。

而且，鎳和2-D材料的各個(gè)層之間的粘附力也大于每個(gè)層本身之間的粘附力。

結(jié)果，當(dāng)?shù)诙€(gè)鎳膜被添加到堆疊的底部時(shí)，研究人員能夠剝離單個(gè)原子厚度的2-D材料單層。

Kim說，這是因?yàn)閯冸x第一個(gè)鎳膜會(huì)在材料中產(chǎn)生裂縫，這些材料會(huì)直接傳播到堆疊的底部。

一旦由鎳膜收集的第一單層轉(zhuǎn)移到基底上，就可以對(duì)每一層重復(fù)該過程。

“我們使用非常簡(jiǎn)單的機(jī)制，通過使用這種受控的裂紋擴(kuò)展概念，我們能夠在晶圓級(jí)上隔離單層2-D材料，”他說。

通用技術(shù)可與一系列不同的二維材料一起使用，包括六方氮化硼，二硫化鎢和二硫化鉬。

以這種方式，它可以用于生產(chǎn)不同類型的單層2-D材料，例如半導(dǎo)體，金屬和絕緣體，然后可以將它們堆疊在一起以形成電子器件所需的2-D異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

“如果使用二維材料制造電子和光子器件，那么這些器件只有幾個(gè)單層厚度，”Kim說。“他們將非常靈活，可以加蓋任何東西，”他說。

他補(bǔ)充說，這個(gè)過程快速而且成本低，適合商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

研究人員還通過成功制造晶圓級(jí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管陣列來展示該技術(shù)，厚度僅為幾個(gè)原子。

“這項(xiàng)工作有很大的潛力將二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)用于實(shí)際應(yīng)用，”哈佛大學(xué)物理學(xué)教授菲利普金說，他沒有參與這項(xiàng)研究。

研究人員現(xiàn)在正計(jì)劃應(yīng)用該技術(shù)開發(fā)一系列電子設(shè)備，包括非易失性存儲(chǔ)器陣列和可佩戴在皮膚上的柔性設(shè)備。

Kim說，他們也有興趣應(yīng)用這種技術(shù)來開發(fā)用于“物聯(lián)網(wǎng)”的設(shè)備。

“你需要做的就是種植這些厚厚的二維材料，然后用單層隔離它們并將它們堆疊起來。所以它非常便宜 - 比現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝便宜得多。這意味著它將帶來實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的2-將材料投入商業(yè)化生產(chǎn)，“金說。

“這使其成為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的理想選擇，因?yàn)槿绻鷮鹘y(tǒng)半導(dǎo)體用于傳感系統(tǒng)，那將會(huì)非常昂貴。”