麻省理工學院在將二維材料整合到設備中方面取得的突破，為具有獨特光學和電子特性的下一代設備鋪平了道路。厚度僅為幾個原子的二維材料可以表現出一些令人難以置信的特性，例如能夠極其高效地攜帶電荷，從而提高下一代電子設備的性能。

這幅藝術家的作品展示了麻省理工學院研究人員開發的一種新型整合平台。透過對錶面力進行工程設計，他們只需一個接觸和釋放步驟，就能將二維材料直接整合到設備中。圖片來源：Sampson Wilcox/電子研究實驗室提供

但是，將二維材料整合到電腦晶片等設備和系統中是眾所周知的難題。這些超薄結構可能會受到傳統製造技術的破壞，這些技術通常依賴使用化學物質、高溫或蝕刻等破壞性製程。

為了克服這項挑戰，麻省理工學院和其他大學的研究人員開發出了一種新技術，只需一步就能將二維材料整合到設備中，同時保持材料表面和由此產生的介面原始無缺陷。

他們的方法依賴奈米級的工程表面力，使二維材料可以物理地疊加到其他預製設備層上。由於二維材料不會受損，研究人員可以充分利用其獨特的光學和電學特性。

所開發的平台利用產業相容的工具集，使這一過程可以擴展。在這裡，主要作者彼得-薩特斯韋特（Peter Satterthwaite）使用MIT.nano 中修改過的配準工具進行圖案化配準整合。

他們利用這種方法製造出了二維晶體管陣列，與使用傳統製造技術製造出的裝置相比，實現了新的功能。他們的方法用途廣泛，可用於多種材料，可在高效能運算、感測和柔性電子裝置等領域廣泛應用。

釋放這些新功能的核心是形成清潔介面的能力，所有物質之間存在的特殊力量（稱為范德華力）將這些介面連接在一起。

電子工程與電腦科學（EECS）助理教授、電子學研究實驗室（RLE）成員Farnaz Niroui 是介紹這項工作的新論文的資深作者。

“范德華積分有一個基本限制，”她解釋說，”由於這些作用力取決於材料的內在特性，因此無法輕易調整。因此，有些材料無法僅利用其范德華相互作用來直接相互整合。我們提出了一個解決此限制的平台，以幫助范德華整合變得更加通用，從而促進具有新功能和改進功能的基於二維材料的設備的開發。”

Niroui 與論文第一作者、電子工程與電腦科學研究生Peter Satterthwaite，電子工程與電腦科學教授、RLE 成員Jing Kong，以及麻省理工學院、波士頓大學、台灣國立清華大學、台灣國家科學技術委員會和台灣國立成功大學的其他人共同撰寫了這篇論文，這項研究最近發表在《自然-電子學》上。

奈米級表面力的多樣性使研究人員能夠將黏合劑基質轉移到許多不同的材料。例如，在這裡，透過使用黏合聚合物，他們能夠將圖案化的石墨烯（一原子厚的碳薄片）從源基底（上圖）轉移到接收黏合聚合物（下圖）上。圖片來源：Niroui 小組提供

使用傳統製造技術製造電腦晶片等複雜系統可能會變得一團糟。通常情況下，像矽這樣的硬質材料會被鑿成奈米級，然後與金屬電極和絕緣層等其他元件連接，形成主動元件。這種加工過程會對材料造成損害。

最近，研究人員專注於使用二維材料和一種需要連續物理堆疊的工藝，自下而上地建構設備和系統。在這種方法中，研究人員不是使用化學膠水或高溫將脆弱的二維材料黏合到矽等傳統表面上，而是利用范德華力將一層二維材料物理整合到設備上。

范德華力是存在於所有物質之間的自然吸引力。例如，壁虎的腳會因為范德華力而暫時黏在牆上。雖然所有材料都存在范德華力，但根據材料的不同，范德華力並不總是強大到足以將它們粘在一起。例如，一種名為二硫化鉬的流行半導體二維材料會黏在黃金上，但不會透過與二氧化矽等絕緣體表面的物理接觸直接轉移到該表面上。

然而，透過整合半導體層和絕緣層製成的異質結構是電子設備的關鍵組成部分。以前，實現這種整合的方法是將二維材料黏合到一個中間層（如金）上，然後使用該中間層將二維材料轉移到絕緣體上，最後再使用化學物質或高溫去除中間層。

麻省理工學院的研究人員並沒有使用這種犧牲層，而是將低黏性絕緣體嵌入高黏性基質中。這種黏合基質使二維材料黏附在嵌入的低黏合力表面上，提供了在二維材料和絕緣體之間形成范德華界面所需的力。

製作矩陣

為了製造電子設備，他們在載體基底上形成金屬和絕緣體的混合表面。然後將該表面剝離並翻轉，就會看到一個完全光滑的頂面，其中包含所需的裝置構件。

這種光滑度非常重要，因為表面和二維材料之間的間隙會阻礙范德華相互作用。然後，研究人員在完全潔淨的環境中單獨製備二維材料，並將其與製備好的裝置堆疊直接接觸。

“一旦混合表面與二維層接觸，無需任何高溫、溶劑或犧牲層，它就能拾取二維層並將其與表面整合在一起。”薩特斯韋特解釋說：”通過這種方式，我們可以實現傳統上被禁止的范德華集成，但現在卻可以實現，而且只需一步就能形成功能齊全的器件。”

這種單步驟製程可使二維材料介面保持完全清潔，從而使材料達到其性能的基本極限，而不會受到缺陷或污染的影響。

而且，由於二維材料的表面也保持原始狀態，研究人員可以對二維材料的表面進行工程設計，以形成與其他元件的特徵或連接。例如，他們利用這種技術製造出了p 型晶體管，而利用二維材料製造這種晶體管通常是具有挑戰性的。他們的電晶體在先前的研究基礎上有所改進，可以為研究和實現實用電子產品所需的性能提供一個平台。

展望未來

他們的方法可以大規模地製造更大的裝置陣列。黏合基質技術還可用於一系列材料，甚至與其他力量結合使用，以增強此平台的多功能性。例如，研究人員將石墨烯整合到裝置上，利用聚合物基質形成所需的范德華界面。在這種情況下，黏附依靠的是化學作用，而不僅僅是范德華力。

未來，研究人員希望以此平台為基礎，整合各種二維材料庫，在不受加工損傷影響的情況下研究其內在特性，並利用這些卓越功能開發新的設備平台。

編譯自: ScitechDaily