研究人员将脆弱的二维材料安全地集成到设备中

诸平

Fig. 1 This artist’s rendition shows the newly developed integration platform. By engineering surface forces, researchers are able to directly integrate 2D materials into devices in a single contact-and-release step. Credits : Image: Courtesy of Sampson Wilcox/Research Laboratory of Electronics

Fig. 2 The developed platform leverages industry-compatible toolsets, allowing for the process to be scaled. Here, lead author Peter Satterthwaite uses a modified alignment tool in MIT.nano to do a patterned, aligned integration. Credits : Image: Courtesy of Weikun Zhu

Fig. 3 The diverse surface forces available at the nanoscale enable researchers to adapt the adhesive matrix transfer to many different materials. For example, here, by using adhesive polymers, they are able to transfer patterned graphene, a one-atom-thick sheet of carbon, from a source substrate (top image), to a receiving adhesive polymer (bottom image). Credits : Image: Courtesy of the Niroui Group

据美国麻省理工学院 (Massachusetts Institute of Technology简称MIT, Cambridge, MA, USA)2023年12月8日提供的消息（MIT News），麻省理工学院（MIT）、美国波士顿大学（Boston University, Boston, MA, USA）、中国台湾清华大学（Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan, China）、中国台湾科学技术委员会(和台湾成功大学的研究人员合作，将脆弱的二维材料安全地集成到设备中（Researchers safely integrate fragile 2D materials into devices），相关研究结果于2023年12月8日已经在《自然电子》（Nature Electronics）杂志网站发表——Peter F. Satterthwaite, Weikun Zhu, Patricia Jastrzebska-Perfect, Melbourne Tang, Sarah O. Spector, Hongze Gao, Hikari Kitadai, Ang-Yu Lu, Qishuo Tan, Shin-Yi Tang, Yu-Lun Chueh, Chia-Nung Kuo, Chin Shan Lue, Jing Kong, Xi Ling, Farnaz Niroui. Van der Waals device integration beyond the limits of van der Waals forces using adhesive matrix transfer. Nature Electronics, 2023. DOI: 10.1038/s41928-023-01079-8. Published: 08 December 2023

参与此项研究的除了来自MIT的研究人员之外，还有来自美国波士顿大学（Boston University, Boston, MA, USA）、中国台湾清华大学（Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan, China）、中国台湾鸿海研究院（Hon Hai Research Institute, Taipei, Taiwan, China）、中国台湾科学技术委员会(Taiwan Science and Technology Council, Taipei, Taiwan, China）和台湾成功大学（Cheng Kung University, Tainan, Taiwan, China）的研究人员。这一研究进展为具有独特光学和电子特性的下一代设备开辟了道路。

只有几个原子厚的二维材料可以表现出一些令人难以置信的特性，例如极其有效地携带电荷的能力，这可以提高下一代电子设备的性能。

但将2D材料集成到计算机芯片等设备和系统中是出了名的困难。这些超薄结构可能会被传统的制造技术损坏，这些技术通常依赖于使用化学品、高温或蚀刻等破坏性工艺。

为了克服这一挑战，麻省理工学院和其他机构的研究人员开发了一种新技术，可以一步将二维材料集成到设备中，同时保持材料表面和所得界面原始且无缺陷。

他们的方法依赖于纳米级可用的工程表面力，以允许二维材料物理堆叠到其他预构建的器件层上。由于二维材料保持完好无损，研究人员可以充分利用其独特的光学和电学特性。

他们使用这种方法来制造二维晶体管阵列，与使用传统制造技术生产的设备相比，该阵列实现了新的功能。他们的方法具有足够的通用性，可用于多种材料，可以在高性能计算、传感和柔性电子产品中具有多种应用。

解锁这些新功能的核心是形成干净界面的能力，这些界面由存在于所有物质之间的特殊力——称为范德华力（van der Waals forces）结合在一起。然而，这种范德华式的材料集成到功能齐全的设备中并不总是那么容易的，电气工程和计算机科学 (electrical engineering and computer science简称EECS) 助理教授、电子研究实验室 (Research Laboratory of Electronics简称RLE) 成员以及上述论文的通讯作者Farnaz Niroui说。

“范德华结合（Van der Waals integration）有一个根本的限制，”她解释道。“由于这些力取决于材料的固有特性，因此无法轻易调整。因此，有些材料无法仅利用范德华相互作用直接相互集成。我们提出了一个平台解决这一限制，有助于使范德华集成更加通用，促进具有新功能和改进功能的基于二维材料的设备的开发。”

有利的吸引（Advantageous attraction）

使用传统制造技术制造复杂的系统（例如计算机芯片）可能会变得混乱不堪。通常，像硅这样的刚性材料被凿成纳米级，然后与金属电极和绝缘层等其他组件连接以形成有源器件。此类处理可能会对材料造成损坏。 

最近，研究人员专注于使用2D材料和需要顺序物理堆叠（sequential physical stacking）的过程，自下而上构建设备和系统。在这种方法中，研究人员利用范德华力将一层2D材料物理集成到设备上，而不是使用化学胶水或高温将易碎的2D材料粘合到硅等传统表面。

范德华力是存在于所有物质之间的自然吸引力。例如，由于范德华力，壁虎的脚会暂时粘在墙上。尽管所有材料都表现出范德华相互作用，但根据材料的不同，作用力并不总是足够强大以将它们结合在一起。例如，一种流行的半导体二维材料二硫化钼（molybdenum disulfide， MoS₂）会粘附在金上，但不会通过仅与该表面发生物理接触而直接转移到二氧化硅等绝缘体上。

然而，通过集成半导体和绝缘层制成的异质结构是电子设备的关键构建模块。此前，这种集成是通过将2D材料粘合到金等中间层，然后使用该中间层将2D材料转移到绝缘体上，然后使用化学品或高温去除中间层来实现的。

麻省理工学院等机构的研究人员没有使用这种牺牲层，而是将低粘附力绝缘体嵌入高粘附力基质中。这种粘合剂基质使2D材料粘附到嵌入的低粘附力表面，提供在2D材料和绝缘体之间形成范德华界面所需的力。

制作基质（Making the matrix）

为了制造电子设备，他们在载体基板上形成金属和绝缘体的混合表面。然后将该表面剥离并翻转，露出完全光滑的顶面，其中包含所需设备的构建块。

这种平滑度很重要，因为表面和二维材料之间的间隙会阻碍范德华相互作用。然后，研究人员在完全干净的环境中单独准备二维材料，并将其与制备好的器件堆栈直接接触。

 “一旦混合表面与2D层接触，无需任何高温、溶剂或牺牲层，它就可以拾取2D层并将其与表面集成。通过这种方式，我们允许范德华集成在传统上是被禁止的，但现在是可能的，并且允许一步形成功能齐全的设备，”彼得·萨特思韦特（Peter F. Satterthwaite）解释道。

这种单步过程（single-step process）使2D材料界面保持完全清洁，从而使材料能够达到其基本性能极限，而不会受到缺陷或污染的阻碍。

由于表面也保持原始状态，研究人员可以设计二维材料的表面，以形成特征或与其他组件的连接。例如，他们使用这种技术制造了p型晶体管（p-type transistors），这种晶体管通常很难用2D材料制造。他们的晶体管在之前的研究基础上得到了改进，可以为研究和实现实用电子产品所需的性能提供一个平台。

他们的方法可以大规模地用于制造更大的设备阵列。粘合剂基质技术（adhesive matrix technique）也可以与一系列材料一起使用，甚至与其他力一起使用，以增强该平台的多功能性。例如，研究人员将石墨烯集成到一个设备上，使用由聚合物制成的基质形成所需的范德华界面。在这种情况下，粘附依赖于化学相互作用，而不仅仅是范德华力。

未来，研究人员希望在这个平台上进行构建，以集成各种2D材料库，在不受加工损伤影响的情况下研究它们的内在特性，并开发利用这些优越功能的新设备平台。

这项研究部分由美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation简称NSF; Award No. CMMI-2135846; NSF Center for Energy Efficient Electronics Science Award No. ECCS-0939514; NSF Graduate Research Fellowship Program Grant No. 1745302; NSF Award No. CHE-1945364; NSF ECCS Award No. 1541959）、美国能源部（U.S. Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences Award No. DE-SC0021064）、波士顿大学BUnano跨学科奖学金（BUnano Cross-Disciplinary Fellowship at Boston University）和美国陆军研究办公室（U.S. Army Research Office through the Institute for Soldier Nanotechnologies at the Massachusetts Institute of Technology简称MIT; Cooperative Agreement No. W911NF-18-2-0048）资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Pristine van der Waals (vdW) heterostructures formed between two-dimensional (2D) and other materials can be used to create optical and electronic devices. However, the weak vdW forces alone do not allow direct physical stacking of arbitrary layers. As a result, vdW heterostructure fabrication typically requires solvents, sacrificial layers or high temperatures, which can introduce damage and contaminants. Here, we show that adhesive matrix transfer can eliminate these limitations and can provide vdW integration beyond the limits of vdW forces. In the approach, a hybrid high- and low-adhesion surface is used to decouple the forces driving the transfer from the vdW forces defining the heterostructure of interest. We show that the technique can be used to achieve direct vdW integration of diverse 2D materials (MoS₂, WSe₂, PtS₂ and GaS) with dielectrics (SiO₂ and Al₂O₃), which is conventionally forbidden but critical for active devices and scalable, aligned heterostructure formation. The approach also allows single-step 2D material-to-device integration, which we illustrate by fabricating arrays of monolayer MoS₂ transistors. As any exposure to solvents or polymers is avoided, the interfaces and surfaces remain pristine. Thus, intrinsic 2D material properties can be probed without the influence of processing steps. The materials can be further engineered through surface treatments and used to fabricate unconventional device form factors.