研究人员将易碎的二维材料安全地集成到设备中，开辟了一条通往独特电子特性的道路

　　

　　只有几个原子厚度的二维材料可以展示出一些令人难以置信的特性，比如非常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。

　　然而，将二维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破坏，这些技术通常依赖于使用化学品、高温或蚀刻等破坏性过程。

　　为了克服这一挑战，麻省理工学院和其他地方的研究人员开发了一种新技术，可以将二维材料集成到设备中，同时保持材料表面和产生的界面原始，没有缺陷。

　　他们的方法依赖于纳米尺度上可用的工程表面力，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2D晶体管阵列，与使用传统制造技术生产的设备相比，实现了新的功能。他们的方法是通用的，可以与许多材料一起使用，可以在高性能计算、传感和柔性电子领域有不同的应用。

　　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量(称为范德华力)维系在一起。

　　然而，电子研究实验室(RLE)成员、电子工程和计算机科学(EECS)助理教授法纳兹·尼鲁伊(Farnaz Niroui)说，将材料集成到全功能设备中并不总是那么容易。他是一篇描述这项工作的新论文的资深作者。

　　“范德华积分有一个基本的限制，”她解释说。“由于这些力取决于材料的固有特性，因此它们不能轻易调整。因此，有一些材料不能单独使用它们的范德华相互作用直接相互集成。我们已经开发了一个平台来解决这一限制，以帮助使范德华集成更加通用，以促进具有新功能和改进功能的基于2d材料的设备的开发。”

　　这项研究将发表在《自然电子》杂志上。

　　用传统的制造技术制造复杂的系统，比如计算机芯片，可能会变得很混乱。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相结合，形成一个有源器件。这种加工会对材料造成损坏。

　　最近，研究人员专注于自下而上地构建设备和系统，使用二维材料和需要连续物理堆叠的过程。在这种方法中，研究人员利用范德华力将一层二维材料物理集成到设备上，而不是使用化学胶水或高温将脆弱的二维材料粘合到硅等传统表面上。

　　范德华力是存在于所有物质之间的自然引力。例如，由于范德华力，壁虎的脚可以暂时粘在墙上。

　　虽然所有的材料都表现出范德华相互作用，但根据材料的不同，这些力并不总是强到足以将它们结合在一起。例如，一种被称为二硫化钼的流行半导体二维材料会粘附在金属金上，但不会直接通过与金属表面的物理接触转移到二氧化硅等绝缘体上。

　　然而，由半导体和绝缘层集成而成的异质结构是电子器件的关键组成部分。在此之前，这种集成是通过将2D材料粘接在像金这样的中间层上，然后使用该中间层将2D材料转移到绝缘体上，然后使用化学物质或高温去除中间层来实现的。

　　麻省理工学院的研究人员没有使用这种牺牲层，而是将低粘附绝缘体嵌入到高粘附矩阵中。这种粘合矩阵使二维材料粘在嵌入的低粘附表面上，提供在二维材料和绝缘体之间创建范德华界面所需的力。

　　为了制造电子器件，它们在载体衬底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，露出一个完全光滑的顶部表面，其中包含所需设备的构建块。

　　这种平滑性很重要，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，研究人员在完全清洁的环境中单独制备二维材料，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，不需要任何高温、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，这在传统上是被禁止的，但现在是可能的，并且允许在一个步骤中形成功能齐全的设备，”Satterthwaite解释说。

　　这种单步工艺使二维材料界面完全清洁，从而使材料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，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。粘合剂基质技术也可以与一系列材料一起使用，甚至与其他力量一起使用，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。

　　更多信息:Farnaz Niroui等人，超越范德华力限制的范德华积分使用粘合剂矩阵转移，自然电子(2023)。DOI: 10.1038 / s41928 - 023 - 01079 - 8

　　麻省理工学院提供

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　　引用本文:研究人员将易碎的2D材料安全地集成到设备中，开辟了一条通往独特电子特性的道路(2023,12月8日)，2023年12月8日从https://phys.org/news/2023-12-safely-fragile-2d-materials-devices.html检索

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