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新型胶带可轻松拾取和粘贴二维材料
仅原子厚度的一类材料——二维材料，有望彻底改变未来科技，包括电子领域。然而，由于无法将这类超薄材料从制备地转移到器件上，其商业化始终面临挑战。
九州大学的研究团队与日本 Nitto Denko 公司合作，开发出一种易于使用的胶带，可将二维材料粘附到多种不同表面。相关研究成果于 2024 年 2 月 9 日发表于《自然电子学》。
九州大学全球创新中心教授、论文第一作者 Hiroki Ago 表示：“传统二维材料转移技术非常复杂，材料容易破损或污染，使其独特性能大幅下降。我们的胶带提供了一种快速、简单的替代方案，并减少了损伤。”
研究人员首先聚焦于石墨烯。石墨烯由一层碳原子薄膜构成，坚韧、灵活、轻巧，导热性和导电性高。这种被誉为“神奇材料”的材料，在生物传感、抗癌药物输送、航空航天和电子器件方面拥有巨大潜力。
Ago 教授解释道：“制作石墨烯的主要方法之一是化学气相沉积，石墨烯生长在铜膜上。但为了发挥作用，必须将石墨烯从铜上分离并转移到绝缘衬底，例如硅上。”
“通常做法是覆盖一层保护聚合物，然后用酸等蚀刻溶液除去铜。石墨烯粘附到新衬底后，再用溶剂溶解保护聚合物层。此过程既昂贵又耗时，还会在石墨烯表面造成缺陷或留下聚合物残留。”
因此，Ago 教授及其团队致力于提供一种替代的石墨烯转移方法。他们利用人工智能开发了一种名为“紫外胶带”的特种聚合物胶带，这种胶带在紫外光照射下，与石墨烯的亲和力会发生改变。
来自九州大学和Nitto Denko的研究人员开发出了一种胶带，可以通过紫外线改变其对2D材料的“粘性”。
在紫外光照射之前，胶带与石墨烯有很强的粘附力，可以牢固“粘住”。但紫外照射后，原子键发生变化，导致对石墨烯的粘附力降低约 10%。紫外胶带也变得稍微僵硬，更容易剥离。这些变化使得胶带可以从器件衬底上剥离，同时留下石墨烯。
研究人员还开发了能转移另外两种二维材料的胶带：白色石墨烯 (hBN) 和过渡金属硫族化物 (TMDs)。前者是一种可以作为叠层二维材料保护层的绝缘体，后者则是新一代半导体的有力候选材料。
值得一提的是，研究人员仔细观察转移后的二维材料表面，发现与传统技术相比，表面更光滑，缺陷更少。测试材料性能后，他们还发现效率更高。
与现有转移技术相比，紫外胶带转移技术还具有诸多其他优势。由于紫外胶带可弯曲，且转移过程不需要使用溶解塑料的溶剂，因此可以使用柔性塑料作为器件衬底，拓宽了潜在应用范围。
Ago 教授说：“例如，我们制造了一个使用石墨烯作为太赫兹传感器的塑料器件。太赫兹辐射与 X 射线类似，可以穿透光线无法穿透的物体，但不会伤害人体。这在医疗成像或机场安检方面非常有前景。”
此外，紫外胶带可以裁剪成所需尺寸，这样只需转移所需数量的二维材料，从而最大限度减少浪费并降低成本。不同材料的二维层也可以轻松地以不同的方向叠加，使研究人员能够探索叠层材料的新兴特性。
研究团队下一步的目标是将紫外胶带的尺寸扩大到制造商所需的规模。目前，可以转移的最大石墨烯晶圆直径为 10 厘米。Ago 教授及其团队还试图解决胶带上形成皱纹和气泡的问题，因为这些会造成细小的缺陷。
研究团队还希望提高稳定性，使二维材料可以长时间附着在紫外胶带上，并提供给最终用户，例如其他科学家。
Ago 教授表示：“最终用户只需像贴儿童贴纸一样贴上和撕下紫外胶带，即可将材料转移到所需的衬底上，无需任何培训。这种简单的方法可以彻底改变研究风格，并加速二维材料的商业化发展。”