近年来随着信息社会的进步，要求半导体器件更快、更节能，但石墨烯等极薄的二维原子片（二维材料）只有原子那么厚，有望成为下一代器件材料。然而，大多数二维材料都采用一种称为“转移”的工艺，从生长基板转移到硅或柔性基板上，但众所周知，二维材料在这种转移过程中可能会被撕裂，或者保护膜的聚合物可能会残留，导致性能下降。此外，还存在许多问题，例如需要有机溶剂来去除保护膜，这使得它无法用于柔性基板、转移过程需要很长时间以及需要先进的转移技术。
九州大学全球创新中心首席教授 Hiroki Ago、Nitto Denko Corporation、2D Materials Research Institute LLC、中央大学 助理教授 Lee Heng 和 Yukio Kono 教授、九州大学先进材料研究所 Kazunari Yoshizawa 教授、九州大学研究生院理工学研究生院大阪大学科学产业研究院和米乐m6官方网站(AIST)的高级研究员Nagamasa Hayashi成功开发出一种功能性胶带，专门针对粘合强度因紫外线而降低的二维材料。该方法不需要使用保护膜或有机溶剂，即使对于最终用户来说也很容易转移。此外，这种胶带转移不仅可以用于石墨烯，还可以用于半导体和绝缘体等二维材料。此外，我们还使用带转移石墨烯创建了一种柔性太赫兹传感器。
这项研究将为大面积二维材料的转移和制造工艺带来重大进展，这在以前是很困难的，预计将为包括半导体在内的下一代产业的创建做出巨大贡献。
这项研究结果将发表在英国科学杂志《
自然电子学”将在线发布。
（左）各种二维材料的带转移图像，（右）单层石墨烯的带转移图像
研究人员的话：
石墨烯等二维材料具有巨大的潜力，但在合成后将它们“转移”到另一种基材上一直是一个重大挑战。这种转移胶带的实现是一项将极大改变二维材料研发方式的成果，将极大支撑电子等新产业的创建。
石墨烯等原子厚度极薄的二维原子片（简称“二维材料”）有望在后硅半导体、6G等下一代通信、柔性器件以及光、磁、生物传感器等未来电子产业中发挥重要作用。例如，由碳制成的石墨烯是最好的材料载体移动性(*1)，因此它被应用于集成电路和各种传感器。另外，过渡金属二硫属化物 (TMD)(*2)的二维半导体材料作为超薄沟道材料表现出优异的性能（硅半导体不能使用，因为它们在变得超薄时会形成氧化膜，从而显着降低其性能）。此外，六方氮化硼（hBN）是一种绝缘二维材料，可用于改善石墨烯和TMD的性能，并且还具有优异的阻气性能。此外，已经发现，通过层叠这些二维材料，可以获得更多种类的物理性质，并且可以进一步改善器件的特性。
然而，要使用二维材料制造器件，需要执行一种称为“转移”的过程，将材料从金属等生长基板转移到硅基板或柔性塑料基板，这会导致许多问题。因为石墨烯位于铜催化剂之上化学气相沉积法（CVD法）(*3)的方法大面积合成石墨烯，但如果在铜上制造器件，电流将流过铜，从而使石墨烯的优异性能无法实现。图1显示了单层石墨烯的一般转移过程。石墨烯非常薄且容易破裂，因此我们在 CVD 合成后处理石墨烯时用聚合物保护它（图 1(a,b)）。之后，通过将基板浸入酸溶液中来溶解铜，并从溶液中去除聚合物保护膜/石墨烯（图1（c，d））。清洗后，将其转移到硅基板上（图1（e）），最后将其浸泡在丙酮等有机溶剂中以去除聚合物（图1（f））。这种方法，（1）转移过程中石墨烯容易与聚合物一起断裂，（2）需要有机溶剂去除聚合物，因此不能用于塑料基板上，（3）聚合物不能完全去除，残留在石墨烯表面，（4）蚀刻耗时，且铜无法重复使用以溶解铜，对环境影响较大； (5)面积越大，越容易破裂。 （6）有很多挑战需要有转录经验的研究人员来完成。由于这种撕裂和污染会显着降低二维材料的原始性能，因此需要一种简单、任何操作员都可以使用并且可以在大面积基板上使用的转移方法。
图1 一般石墨烯转移方法。有很多问题需要解决，需要一种新的转录方法。
九州大学的研究团队在二维材料的合成方面拥有丰富的知识和卓越的技术，与为广泛行业开发和销售高性能材料的 Nitto Denko 共同进行研究并成功开发了一种解决上述转移问题的新型胶带。在研究了各种功能性胶带后，我们通过使用在紫外线（UV光）照射下粘合强度降低至约1/10的胶带（此处称为UV胶带）实现了高效的石墨烯转移。这项研究的关键点是“捕捉和释放”的想法，其中UV胶带在其粘合强度较强的情况下与石墨烯紧密接触，胶带将其牢固地“捕捉”到胶带上，当粘合强度被UV光减弱时，它被“释放”并转移到基材上。从科学角度来说，这意味着紫外线用于控制石墨烯和粘合剂之间的范德华力，从而实现转移。在这项研究中，我们利用人工智能（AI）进行研发，高效开发出适合石墨烯的胶带，并实现了高达99%的转移率。此外，与传统的聚合物转移相比，它的缺陷和残留物更少，并且可以在更短的时间内转移。
图2 使用新开发的UV胶带的创新石墨烯转移方法
图3将图1所示的传统方法与图2所示的UV胶带转移方法进行了比较。图3(a)是使用UV胶带转移的石墨烯的显微图像，图3(b)是使用称为PMMA的聚合物保护膜转移的石墨烯的显微图像。经证实，采用UV胶带生产的石墨烯（图3（a））的撕裂和残留物明显少于传统方法，且表面光滑。此外，当我们创建石墨烯晶体管并测量流经石墨烯的载流子迁移率时，我们能够在 UV 胶带转移膜中获得更高的迁移率分布（图 3(c)）。此外，使用图2所示的方法，铜催化剂可以多次重复使用。
图3 此转移方法与传统方法的比较。 (a,b) 使用 UV 胶带和聚合物转移到硅基板上的单层石墨烯的光学显微镜图像（顶部）和原子力显微镜图像（底部）。Ra的值表示表面粗糙度。 (c) 使用每种类型的石墨烯制造的晶体管的载流子迁移率的比较。
这种胶带转移方法不仅可以应用于石墨烯，还可以应用于其他二维材料。通过优化胶带的粘合剂，我们可以转印二维半导体材料 TMD 和绝缘六方氮化硼。图4（a）显示了二硫化钼（MoS），一种典型的TMD。2)的结果表明，三角形颗粒和整个膜都被清晰地转印。此外，如图4(b)所示，该MoS2具有良好的晶体管操作，并且我们已经确认通过带转移可以获得足够的特性。这一结果可以说会导致使用TMD的下一代半导体应用，预计将在2030年代出现。
图4(c,d)显示hBN转录结果。这里，转录进行三次：hBN→石墨烯→hBN。这样，通过使用本研究开发的UV胶带，可以创建多个二维材料层叠的层叠结构。
图4 二维半导体（MoS2）2) 和绝缘体 (hBN) 的 UV 胶带转移。 (a)二硫化钼2的三角形颗粒和转印后整个表面膜的显微照片。 (b) 转移的半导体MoS2的晶体管特性(c) 使用三种胶带多重堆叠石墨烯和六方氮化硼的示意图。 (d) 实际转印膜的照片。
与聚合物薄膜不同，UV胶带具有一定的硬度，因此可以用剪刀切割和处理。如图5所示，MoS2用剪刀将获得的小胶带粘贴在所需的位置并转移，最后贴上电极，就可以轻松制造出大量的MoS2您可以获得该设备。这种方法的优点是只需将二维材料粘贴到需要的地方即可，因此可以节省大量的二维材料，从而节省能源、降低成本、降低环境影响。另一个优点是可以使用定向二维材料并以不同角度堆叠它们。
图 5 MoS2MoS 在您需要的地方2, MoS2的金额可以显着减少用量，从而降低成本并简化流程。
使用 UV 胶带进行转印还有其他优点。与聚合物保护膜不同，它在“释放”过程中不需要使用有机溶剂，并且具有柔性，因此可以转移到多种材料和形状上，如图6所示。一个特别的优点是它可以转移到塑料玻璃和柔性聚合物基材上。另外，半导体MoS2夹在导电石墨烯电极之间也可以通过胶带转移来实现（图6（d））。
图 6 使用 UV 胶带可以转移到各种材料和形状。 (a) 单层石墨烯转移到杯子上。 (b) 石墨烯转移到纸上。 (c) MoS转移到塑料玻璃2(d) 石墨烯和MoS转移到柔性塑料基板（PEN基板）2层压膜
作为石墨烯转移到塑料上的应用太赫兹波（THz 波）(*4) 创建了一个传感器。图 7(a) 显示了附着在用 UV 胶带转移到塑料基板上的石墨烯上的电极。在此之上，放置一个信封，里面装有刀和纸（图 7(b)）。然后他们将太赫兹波照射到石墨烯上并测量石墨烯中产生的电压。结果，现在可以清楚地识别这把刀，如图 7(c) 所示。而且，如果你仔细观察的话，你会发现信封里面还夹着一些纸片。该测量表明石墨烯作为太赫兹传感器是有效的，可用于机场等安全目的。此外，我们发现石墨烯器件可以用作热传感器。
图 7 UV 胶带转移石墨烯的太赫兹传感器应用。 (a) 塑料上的单层石墨烯传感器。 (b) 放入信封之前的刀和纸。 (c) 使用石墨烯检测到信封内的刀和纸。
最后，图 8 显示了 UV 磁带库。石墨烯、六方氮化硼、MoS2和WS2贴在胶带上，用户只需拿起它，将其粘贴到自己的基材上，然后将其剥离，就可以转移二维材料。通过为最终用户提供极其简单的方法，这种转移方法有望在二维材料的工业化中发挥重要作用。
图 8 二维材料带库。就像儿童贴纸一样，您可以通过粘贴胶带并将其剥离来转移二维材料。照片中二维材料的尺寸为10毫米见方。
我们开发的是一种极其独特和创新的转移方法，因此我们希望能够让更多的研究人员使用它，振兴二维材料研究，开发二维材料新的应用领域，创造新的产业。此外，虽然我们目前能够转移最大4英寸（Φ100毫米）的石墨烯，但我们的目标是使用各种二维材料转移更大的晶圆级石墨烯，着眼于后硅器件和传感器等工业应用。此外，我们还将通过与多所大学和企业积极开展产学合作活动，促进二维材料的实际应用。
本研究得到新能源产业技术综合开发机构先行研究计划“利用高性能胶带开发二维材料的创新转移方法”(JPNP14004)、文部科学省科学研究补助金(A)“25维材料科学：促进社会变革的材料科学范式转变”(21H05232, 21H05233、21H05235、22H05470、22H0547 8)（地区代表：前弘树）、日本学术振兴会（JSPS）科学研究补助金（23K18878、19K22113、18H03864）（研究代表：前弘树） （21K04996、22H05146）（研究代表（合伙人）：辻裕太）、（22F22358）（研究代表：末永和友）、日本科学技术振兴机构（JST）战略创意研究推进项目团队型研究（CREST）“取向技术和分子系统功能”（研究主管：Nobuo Kimizuka），研究课题“利用原子/分子排列控制”纳米空隙与物性测量方法的开发”（JPMJCR20B1）（研究代表：末永一友）、“纳米尺度研究主题“通过二维材料与纳米测量的融合进行相变传热的创新”（JPMJCR18I1）（研究代表：高桥敦）“热管理基础技术的创造”（研究主管：丸山繁夫）、未来社会创造项目·全面研究“共同基础设施”领域的研究课题（负责人：永部伸之）：“建立可定制的光学传感，创造光学信息的先进用途，为社会和生活带来新的价值”（JPMJMI23G1）（研究成果由神奈川工业技术研究所的研究项目“创建用于无损图像检查的智能片材”（研究代表：河野幸男）支持（KISTEC）战略研究种子培育项目
已出版的杂志：自然电子学
标题：准备使用可调粘合力胶带转移二维材料
作者姓名：Maki Nakatani、Satoru Fukamachi、Pablo Solís-Fernández、Satoshi Honda、Kenji Kawahara、Yuta Tsuji、Yosuke Sumiya、Mai Kuroki、Kou Li、Qiunan Liu、Yung-Chang Lin、Aika Uchida、Shun Oyama、Hyun Goo Ji、Kenichi Okada、Kazu Suenaga、Yukio河野、吉泽一成、安井敦、前弘树
DOI：101038/s41928-024-01121-3