復旦大學，Nature Electronics！
米測MeLab
納米人
2025-02-08
研究背景
二維（2D）材料從其生長基板的大面積轉移對于電子器件的集成至關重要。然而，轉移厚度小于1納米的材料容易受到損壞，現有的轉移方法通常在橫向尺寸、質量和精度方面存在一定的折衷。在此，復旦大學劉利偉, 周鵬等在“Nature Electronics”期刊上發表了題為“A mass transfer technology for high-density two-dimensional device integration”的最新論文。他們報告了一種大規模轉印技術，采用精確排列微柱的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具，輕柔地轉移晶圓級2D陣列并堆疊范德華異質結構陣列。當模具與2D材料接觸后，加入乙醇-水溶液，液體滲透到2D材料與生長基板之間的非接觸區域，使薄膜發生剝離。他們采用該方法轉移了一個2英寸（~5?cm）的單層二硫化鉬（MoS?）薄膜，包含超過100萬個陣列，橫向尺寸為20?×?20?μm2，陣列密度為62,500個每平方厘米，且在一次操作中產率達到99%。通過該技術制造的不同器件架構的集成2D晶體管顯示出約97.9%的器件產率（背柵），并且在電性能方面幾乎沒有損傷（頂柵和底柵）。作者還開發了一種毛細力輔助轉移模型，以解釋這一快速轉移機制。研究亮點
- 實驗首次提出大規模轉印技術，成功實現了晶圓級二維材料的轉移和堆疊。通過使用精確排列微柱的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具，實驗首次展示了能夠輕柔轉移2D陣列的技術，避免了傳統方法中易損傷材料的問題。
- 實驗通過乙醇-水溶液輔助轉移，實現了2D材料的剝離與轉移。乙醇-水溶液滲透至2D材料與生長基板之間，利用毛細力作用使薄膜剝離，成功轉移了一個2英寸（~5 cm）的單層二硫化鉬（MoS?）薄膜，轉移陣列密度為62,500個每平方厘米，產率高達99%。
- 實驗通過該方法制造集成2D晶體管，成功展示了不同架構的2D器件?；诖思夹g制造的集成2D晶體管顯示出約97.9%的器件產率，并且在頂柵與底柵電性能方面幾乎無損傷。
- 實驗提出了毛細力輔助轉移模型，成功解釋了材料快速轉移的機制，為大規模二維材料的轉移提供了理論依據和技術路徑。
圖文解讀
圖1:用于轉移和打印晶圓級2D陣列的巨量轉移打印mass transfer printing，MTP過程示意圖。圖2:PDMS印模形狀確定了各種類型MoS2陣列的巨量轉移打印MTP。圖4:具有不同器件結構的MoS2-FET陣列的電學特性。圖5:LED顯示系統中，用于2D驅動電路的底柵MoS2-FET集成。總結展望
本研究報告了一種用于轉移二維（2D）材料陣列的大規模轉?。∕TP）技術。該方法利用軟聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具的粘度和周期性排列的微柱結構，使乙醇-水溶液滲透到2D材料與生長基板之間的界面，從而通過毛細力使2D材料輕松剝離或脫離，且幾乎沒有損傷。作者成功轉移了來自2英寸薄膜的超過100萬個MoS?陣列，轉移產率達到99%，陣列密度為每平方厘米62,500個。此外，范德華異質結構陣列可以通過重復轉印兩次來精確對準并堆疊。轉移陣列的大小和形狀主要由PDMS微柱決定，最小間距為10微米。作者開發了一個毛細力模型來研究快速轉移機制，揭示了低極性溶液在加速過程中的關鍵作用，并研究了具有不同器件架構的2D器件集成。底柵MoS?場效應晶體管（FET）陣列的平均遷移率為15.62?cm2?V?1?s?1，亞閾值斜率（SS）為0.15?V?dec?1，閾值電壓（VTH）為?0.52?V，開關比約為4.5?×?10?。背柵MoS? FET陣列顯示出97.9%的產率（從1000個背柵100×100陣列的晶體管中測得）。作者還基于AT89C51微控制器構建了一個完整的硬件系統，該系統控制一個8×8 MoS? FET陣列驅動一個8×8 LED矩陣顯示屏。盡管進一步的研究仍然必要，但作者的MTP技術可能成為制造微尺度2D集成電路的有吸引力的方法，如圖像傳感器的像素電路和微型LED顯示器的驅動電路。Liu, L., Cai, Z., Xue, S. et al. A mass transfer technology for high-density two-dimensional device integration. Nat Electron (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01306-w
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