導讀
近日，美國麻省理工學院（MIT）機械工程系的研究人員們開發出一項技術，幾分鐘之內就可以收穫兩英寸直徑晶圓的二維材料。這些材料堆疊在一起，一小時內就能組成電子器件。
背景
2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，證實了它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。
（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
石墨烯，具有單層碳原子組成的蜂窩狀結構，是世界上已知的最薄、最輕、最強的材料，導電、導熱性極佳。因此，其應用領域非常廣闊，例如柔性電子、高效晶體管、新型傳感器、新材料、電池、超級電容、半導體制造、新能源、通信、太赫茲技術、醫療、航天能源技術、分子電子等。
石墨烯屬於一種典型的二維材料。然而，什麼是二維材料？簡單說，二維材料是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱。
除石墨烯外，二維材料還包括六方氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等。當這些層狀的二維材料像樂高積木一樣堆疊在一起時，會表現出新的電氣、光學、熱學特性，例如能製成半導體，創造出超薄的柔性電子器件。
舉個例子，筆者曾介紹過，奧地利維也納技術大學與歐盟石墨烯旗艦項目的科研人員製造出了一種由二維材料二硫化鉬（MoS2） 組成的晶體管，並用115個這樣的晶體管構成了一種新型柔性微處理器。這項研究有望進一步推動物聯網、智能硬件等應用領域的發展。
（圖片來源：Stefan Wachter/維也納技術大學）
然而經驗表明：將塊狀的晶體材料分割為二維薄片並應用於電子器件，在商用規模上進行操作會很難。
現有的工藝是通過反覆地將晶體衝壓到膠帶上，從塊狀晶體上剝離出單個薄片。然而，這一工藝既不可靠，而且又耗費大量時間，需要許多個小時採集足量的材料並組成電子器件。
創新
近日，美國麻省理工學院（MIT）機械工程系的研究人員們開發出一項技術，幾分鐘之內就可以收穫兩英寸直徑晶圓的二維材料。這些材料堆疊在一起，一小時內就能組成電子器件。
他們將有關這項技術的論文發表在《科學（Science）》期刊上。這項研究領導者、該校機械工程系副教授 Jeehwan Kim 稱，該技術為基於一系列二維材料的電子器件的商用打開了大門。
論文的共同第一作者是參與柔性器件製造的 Sanghoon Bae，以及負責堆疊二維材料單層工作的 Jaewoo Shim。他們都來自 Kim 的研究小組。
論文合著者也包括 Kim 小組的學生和博士後，以及美國佐治亞理工學院、德克薩斯大學、弗吉尼亞大學、韓國延世大學的合作伙伴。Kim 研究組的 Sang-Hoon Bae、Jaewoo Shim、Wei Kong、Doyoon Lee 都對這項研究工作做出了貢獻。
技術
Kim 表示：“我們演示了在晶圓尺度上一層一層地分離出二維材料。其次，我們演示了一種堆疊這些晶圓級的二維材料單層的簡便方法。”
示意圖解釋了在原子尺度操控二維材料，厚厚的晶圓級的二維材料被分割為單獨的單層。（圖片來源：MIT）
首先，研究人員在藍寶石晶圓頂部，生長出厚厚的二維材料堆。然後，他們將600納米厚的鎳膜施加到二維材料堆的頂部。
二維材料與鎳粘附的程度勝過藍寶石，因此剝除鎳膜能讓研究人員從晶圓上分離出整個二維材料堆。
此外，鎳與二維材料單層之間的粘合程度也強過這些層之間的粘合程度。
結果，當第二個鎳膜被施加到堆底時，研究人員能剝離出單獨的、單個原子厚度的二維材料單層。
這是由於剝離第一個鎳膜會在材料中生成裂縫，裂縫會傳播到堆底。
一旦通過鎳膜收穫的第一個單層被轉移到基底上，這個工藝就可以反覆應用於每一層。
他說：“我們採用非常簡單的力學，而且通過受控的裂縫傳播方案，在晶圓尺度上分離出二維材料單層。”
價值
這種通用的技術可以用於一系列不同的二維材料，包括六方氮化硼、二硫化鎢、二硫化鉬。
這種方法可以用於製造不同種類的二維材料單層，例如半導體、金屬和絕緣體，它們能堆疊在一起形成電子器件所需的二維異質結構。
他說：“如果你採用二維材料製造電子與光子器件，這些器件將只有幾個單層的厚度。它們將極度柔軟，並可印刷到任何物體上。”
他說，這項工藝快速且低成本，適合商用操作。
研究人員也通過另一個方法演示了這項技術。他們在晶圓尺度上成功地製造出場效應晶體管陣列，其厚度僅為幾個原子。
哈佛大學物理系教授（沒有參與這項研究）Philip Kim 表示：“這項工作非常有望將二維材料及其異質結構帶向真實應用。”
研究人員正在計劃採用這項技術來開發一系列電子器件，包括非易失性存儲陣列以及可穿戴在皮膚上的柔性電子器件。
Kim 表示，他們也對將這項技術用於開發“物聯網”設備感興趣。
Kim 表示：“你所有要做的就是，生長這些厚厚的二維材料，然後將它們分割為單層，然後在堆疊起來。所以這項工藝非常低成本，遠遠低於現有的半導體工藝。這意味著，它會將實驗室規模的二維材料帶向商業化製造。”
“它非常適用於物聯網網絡，因為如果你將傳統的半導體用於感知系統，成本會很高。”
關鍵字
半導體、二維材料、晶體管、晶圓、物聯網
【1】http://news.mit.edu/2018/researchers-quickly-harvest-single-atom-materials-1011
【2】http://dx.doi.org/10.1126/science.aat8126
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