研究人员将易碎的 2D 材料安全地集成到设备中

只有几个原子厚的二维材料可以表现出一些令人难以置信的特性，例如能够非常有效地携带电荷，这可以提高下一代电子设备的性能。

但是，将2D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工艺。

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，可以在一个步骤中将2D材料集成到设备中，同时保持材料表面和由此产生的界面的原始且没有缺陷。

他们的方法依赖于纳米级的工程表面力，允许将2D材料物理堆叠到其他预构建的设备层上。由于2D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。

他们使用这种方法制造了2D晶体管阵列，与使用传统制造技术生产的设备相比，这些晶体管实现了新的功能。他们的方法用途广泛，可用于多种材料，可以在高性能计算、传感和柔性电子学中具有多种应用。

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（称为范德华力）结合在一起。

然而，将材料集成到功能齐全的设备中的范德华并不总是那么容易，电气工程和计算机科学（EECS）助理教授，电子研究实验室（RLE）成员Farnaz Niroui说，也是描述这项工作的新论文的资深作者。

“范德华积分有一个根本的局限性，”她解释道。“由于这些力取决于材料的内在特性，因此它们不容易调整。因此，有些材料不能单独使用它们的范德华相互作用直接相互整合。我们提出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，从而促进具有新功能和改进功能的基于2D材料的设备的发展。

Niroui与主要作者Peter Satterthwaite共同撰写了这篇论文，Peter Satterthwaite是一名电气工程和计算机科学研究生;孔静，EECS教授，RLE成员;以及麻省理工学院、波士顿大学、台湾国立清华大学、台湾国家科学技术委员会和台湾国立成功大学等人。该研究今天发表在 《自然电子》杂志上。

优势吸引力

使用传统的制造技术制造复杂的系统（例如计算机芯片）可能会变得混乱。通常，像硅这样的刚性材料被凿成纳米级，然后与其他组件（如金属电极和绝缘层）连接以形成有源器件。这种加工可能会对材料造成损坏。

最近，研究人员专注于自下而上地构建设备和系统，使用2D材料和需要顺序物理堆叠的过程。在这种方法中，研究人员不是使用化学胶水或高温将脆弱的 2D 材料粘合到硅等传统表面上，而是利用范德华力将一层 2D 材料物理集成到设备上。

范德华力是存在于所有物质之间的自然吸引力。例如，由于范德华力，壁虎的脚会暂时粘在墙上。尽管所有材料都表现出范德华相互作用，但根据材料的不同，力并不总是强大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，但不会通过与二氧化硅表面的物理接触直接转移到绝缘体上。

然而，通过集成半导体和绝缘层制成的异质结构是电子设备的关键组成部分。以前，这种集成是通过将 2D 材料粘合到金等中间层，然后使用该中间层将 2D 材料转移到绝缘体上，然后使用化学品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，而是将低附着力绝缘体嵌入到高附着力基体中。这种粘合剂基体使 2D 材料粘附在嵌入的低附着力表面上，提供在 2D 材料和绝缘体之间形成范德华界面所需的力。

制作矩阵

为了制造电子设备，它们在载体基板上形成金属和绝缘体的混合表面。然后剥离该表面并翻转，露出一个完全光滑的顶面，其中包含所需设备的构建块。

这种平滑度很重要，因为表面和 2D 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2D材料，并将其与准备好的设备堆栈直接接触。

“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层并将其与表面整合。通过这种方式，我们允许传统上被禁止的范德华集成，但现在是可能的，并允许在一个步骤中形成功能齐全的设备，“Satterthwaite解释道。

这种单步工艺使 2D 材料界面保持完全清洁，使材料能够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，研究人员可以对 2D 材料的表面进行工程设计，以形成特征或与其他组件的连接。例如，他们使用这种技术来制造p型晶体管，这些晶体管通常很难用2D材料制造。他们的晶体管在以前的研究基础上有所改进，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完成，以制造更大的设备阵列。粘合剂基质技术还可以与一系列材料一起使用，甚至可以与其他力一起使用，以增强该平台的多功能性。例如，研究人员将石墨烯集成到器件上，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，粘附力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，以实现多样化的2D材料库的集成，以研究其内在特性，而不受加工损坏的影响，并开发利用这些卓越功能的新设备平台。

这项研究部分由美国国家科学基金会、美国能源部、波士顿大学BUnano跨学科奖学金和美国陆军研究办公室资助。制造和表征程序主要在麻省理工学院纳米共享设施中进行。