复旦大学，Nature Electronics！
米测MeLab
纳米人
2025-02-08
研究背景
二维（2D）材料从其生长基板的大面积转移对于电子器件的集成至关重要。然而，转移厚度小于1纳米的材料容易受到损坏，现有的转移方法通常在横向尺寸、质量和精度方面存在一定的折衷。在此，复旦大学刘利伟, 周鹏等在“Nature Electronics”期刊上发表了题为“A mass transfer technology for high-density two-dimensional device integration”的最新论文。他们报告了一种大规模转印技术，采用精确排列微柱的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具，轻柔地转移晶圆级2D阵列并堆叠范德华异质结构阵列。当模具与2D材料接触后，加入乙醇-水溶液，液体渗透到2D材料与生长基板之间的非接触区域，使薄膜发生剥离。他们采用该方法转移了一个2英寸（~5 cm）的单层二硫化钼（MoS₂）薄膜，包含超过100万个阵列，横向尺寸为20 × 20 µm²，阵列密度为62,500个每平方厘米，且在一次操作中产率达到99%。通过该技术制造的不同器件架构的集成2D晶体管显示出约97.9%的器件产率（背栅），并且在电性能方面几乎没有损伤（顶栅和底栅）。作者还开发了一种毛细力辅助转移模型，以解释这一快速转移机制。研究亮点
- 实验首次提出大规模转印技术，成功实现了晶圆级二维材料的转移和堆叠。通过使用精确排列微柱的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具，实验首次展示了能够轻柔转移2D阵列的技术，避免了传统方法中易损伤材料的问题。
- 实验通过乙醇-水溶液辅助转移，实现了2D材料的剥离与转移。乙醇-水溶液渗透至2D材料与生长基板之间，利用毛细力作用使薄膜剥离，成功转移了一个2英寸（~5 cm）的单层二硫化钼（MoS₂）薄膜，转移阵列密度为62,500个每平方厘米，产率高达99%。
- 实验通过该方法制造集成2D晶体管，成功展示了不同架构的2D器件。基于此技术制造的集成2D晶体管显示出约97.9%的器件产率，并且在顶栅与底栅电性能方面几乎无损伤。
- 实验提出了毛细力辅助转移模型，成功解释了材料快速转移的机制，为大规模二维材料的转移提供了理论依据和技术路径。
图文解读
图1:用于转移和打印晶圆级2D阵列的巨量转移打印mass transfer printing，MTP过程示意图。图2:PDMS印模形状确定了各种类型MoS2阵列的巨量转移打印MTP。图4:具有不同器件结构的MoS2-FET阵列的电学特性。图5:LED显示系统中，用于2D驱动电路的底栅MoS2-FET集成。总结展望
本研究报告了一种用于转移二维（2D）材料阵列的大规模转印（MTP）技术。该方法利用软聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具的粘度和周期性排列的微柱结构，使乙醇-水溶液渗透到2D材料与生长基板之间的界面，从而通过毛细力使2D材料轻松剥离或脱离，且几乎没有损伤。作者成功转移了来自2英寸薄膜的超过100万个MoS₂阵列，转移产率达到99%，阵列密度为每平方厘米62,500个。此外，范德华异质结构阵列可以通过重复转印两次来精确对准并堆叠。转移阵列的大小和形状主要由PDMS微柱决定，最小间距为10微米。作者开发了一个毛细力模型来研究快速转移机制，揭示了低极性溶液在加速过程中的关键作用，并研究了具有不同器件架构的2D器件集成。底栅MoS₂场效应晶体管（FET）阵列的平均迁移率为15.62 cm² V⁻¹ s⁻¹，亚阈值斜率（SS）为0.15 V dec⁻¹，阈值电压（VTH）为−0.52 V，开关比约为4.5 × 10⁸。背栅MoS₂ FET阵列显示出97.9%的产率（从1000个背栅100×100阵列的晶体管中测得）。作者还基于AT89C51微控制器构建了一个完整的硬件系统，该系统控制一个8×8 MoS₂ FET阵列驱动一个8×8 LED矩阵显示屏。尽管进一步的研究仍然必要，但作者的MTP技术可能成为制造微尺度2D集成电路的有吸引力的方法，如图像传感器的像素电路和微型LED显示器的驱动电路。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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