导读
近日，美国麻省理工学院（MIT）机械工程系的研究人员们开发出一项技术，几分钟之内就可以收获两英寸直径晶圆的二维材料。这些材料堆叠在一起，一小时内就能组成电子器件。
背景
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，证实了它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
石墨烯，具有单层碳原子组成的蜂窝状结构，是世界上已知的最薄、最轻、最强的材料，导电、导热性极佳。因此，其应用领域非常广阔，例如柔性电子、高效晶体管、新型传感器、新材料、电池、超级电容、半导体制造、新能源、通信、太赫兹技术、医疗、航天能源技术、分子电子等。
石墨烯属于一种典型的二维材料。然而，什么是二维材料？简单说，二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。
除石墨烯外，二维材料还包括六方氮化硼、过渡族金属化合物（二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨）、黑磷等。当这些层状的二维材料像乐高积木一样堆叠在一起时，会表现出新的电气、光学、热学特性，例如能制成半导体，创造出超薄的柔性电子器件。
举个例子，笔者曾介绍过，奥地利维也纳技术大学与欧盟石墨烯旗舰项目的科研人员制造出了一种由二维材料二硫化钼（MoS2） 组成的晶体管，并用115个这样的晶体管构成了一种新型柔性微处理器。这项研究有望进一步推动物联网、智能硬件等应用领域的发展。
（图片来源：Stefan Wachter/维也纳技术大学）
然而经验表明：将块状的晶体材料分割为二维薄片并应用于电子器件，在商用规模上进行操作会很难。
现有的工艺是通过反复地将晶体冲压到胶带上，从块状晶体上剥离出单个薄片。然而，这一工艺既不可靠，而且又耗费大量时间，需要许多个小时采集足量的材料并组成电子器件。
创新
近日，美国麻省理工学院（MIT）机械工程系的研究人员们开发出一项技术，几分钟之内就可以收获两英寸直径晶圆的二维材料。这些材料堆叠在一起，一小时内就能组成电子器件。
他们将有关这项技术的论文发表在《科学（Science）》期刊上。这项研究领导者、该校机械工程系副教授 Jeehwan Kim 称，该技术为基于一系列二维材料的电子器件的商用打开了大门。
论文的共同第一作者是参与柔性器件制造的 Sanghoon Bae，以及负责堆叠二维材料单层工作的 Jaewoo Shim。他们都来自 Kim 的研究小组。
论文合著者也包括 Kim 小组的学生和博士后，以及美国佐治亚理工学院、德克萨斯大学、弗吉尼亚大学、韩国延世大学的合作伙伴。Kim 研究组的 Sang-Hoon Bae、Jaewoo Shim、Wei Kong、Doyoon Lee 都对这项研究工作做出了贡献。
技术
Kim 表示：“我们演示了在晶圆尺度上一层一层地分离出二维材料。其次，我们演示了一种堆叠这些晶圆级的二维材料单层的简便方法。”
示意图解释了在原子尺度操控二维材料，厚厚的晶圆级的二维材料被分割为单独的单层。（图片来源：MIT）
首先，研究人员在蓝宝石晶圆顶部，生长出厚厚的二维材料堆。然后，他们将600纳米厚的镍膜施加到二维材料堆的顶部。
二维材料与镍粘附的程度胜过蓝宝石，因此剥除镍膜能让研究人员从晶圆上分离出整个二维材料堆。
此外，镍与二维材料单层之间的粘合程度也强过这些层之间的粘合程度。
结果，当第二个镍膜被施加到堆底时，研究人员能剥离出单独的、单个原子厚度的二维材料单层。
这是由于剥离第一个镍膜会在材料中生成裂缝，裂缝会传播到堆底。
一旦通过镍膜收获的第一个单层被转移到基底上，这个工艺就可以反复应用于每一层。
他说：“我们采用非常简单的力学，而且通过受控的裂缝传播方案，在晶圆尺度上分离出二维材料单层。”
价值
这种通用的技术可以用于一系列不同的二维材料，包括六方氮化硼、二硫化钨、二硫化钼。
这种方法可以用于制造不同种类的二维材料单层，例如半导体、金属和绝缘体，它们能堆叠在一起形成电子器件所需的二维异质结构。
他说：“如果你采用二维材料制造电子与光子器件，这些器件将只有几个单层的厚度。它们将极度柔软，并可印刷到任何物体上。”
他说，这项工艺快速且低成本，适合商用操作。
研究人员也通过另一个方法演示了这项技术。他们在晶圆尺度上成功地制造出场效应晶体管阵列，其厚度仅为几个原子。
哈佛大学物理系教授（没有参与这项研究）Philip Kim 表示：“这项工作非常有望将二维材料及其异质结构带向真实应用。”
研究人员正在计划采用这项技术来开发一系列电子器件，包括非易失性存储阵列以及可穿戴在皮肤上的柔性电子器件。
Kim 表示，他们也对将这项技术用于开发“物联网”设备感兴趣。
Kim 表示：“你所有要做的就是，生长这些厚厚的二维材料，然后将它们分割为单层，然后在堆叠起来。所以这项工艺非常低成本，远远低于现有的半导体工艺。这意味着，它会将实验室规模的二维材料带向商业化制造。”
“它非常适用于物联网网络，因为如果你将传统的半导体用于感知系统，成本会很高。”
关键字
半导体、二维材料、晶体管、晶圆、物联网
【1】http://news.mit.edu/2018/researchers-quickly-harvest-single-atom-materials-1011
【2】http://dx.doi.org/10.1126/science.aat8126
閱讀更多 環球創新智慧 的文章
