研究人员将脆弱的二维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，例如极其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。

但将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损坏，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，可以一步将2D材料集成到设备中，同时保持材料表面和所得界面原始且无缺陷。

他们的方法依赖于纳米级可用的工程表面力，以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二维晶体管阵列，与使用传统制造技术生产的设备相比，该阵列实现了新的功能。他们的方法具有足够的通用性，可用于多种材料，可以在高性能计算、传感和柔性电子产品中具有多种应用。

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，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、一篇描述这项工作的新论文。

“范德华积分有一个根本的限制，”她解释道。“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，有些材料无法仅利用范德华相互作用直接相互集成。我们已经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二维材料的设备的开发。”

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

优势景点

使用传统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，然后与金属电极和绝缘层等其他组件连接以形成有源器件。此类处理可能会对材料造成损坏。

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

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，作用力并不总是足够强大以将它们结合在一起。例如，一种流行的半导体二维材料二硫化钼会粘附在金(一种金属)上，但不会通过仅与该表面进行物理接触而直接转移到二氧化硅等绝缘体上。

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构建模块。此前，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，而是将低粘附力绝缘体嵌入高粘附力基质中。这种粘合剂基质使2D材料粘附到嵌入的低粘附力表面，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。然后将该表面剥离并翻转，露出完全光滑的顶面，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，研究人员在完全干净的环境中单独准备二维材料，并将其与准备好的器件堆栈直接接触。

“一旦混合表面与2D层接触，无需任何高温、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，我们允许进行传统上被禁止的范德瓦尔斯集成，但现在是可能的，并且允许一步形成功能齐全的设备，”萨特思韦特解释道。

这种单步过程使2D材料界面保持完全清洁，从而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材料的表面进行设计，以形成与其他组件的特征或连接。例如，他们使用这种技术来创建p型晶体管，而使用2D材料制造这种晶体管通常具有挑战性。他们的晶体管在之前的研究的基础上进行了改进，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完成，以制造更大的设备阵列。粘合基质技术还可以与多种材料一起使用，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设备上，使用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，研究人员希望在此平台上进行构建，以集成不同的二维材料库，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。