厚度仅为原子的材料，即二维（2D）材料将给未来技术，包括电子工业带来革命性的变化。然而，由于难以将这些极薄的材料从制造地转移到设备上，含有二维材料的设备的商业化一直面临着挑战。研究人员创造出了紫外线敏感胶带，可以更方便、更便宜、更少损害地转移石墨烯等二维材料。
九州大学和日东电工的研究人员开发出一种胶带，它能在紫外线照射下改变对二维材料的”粘性”。资料来源：九州大学阿戈实验室
现在，九州大学的一个研究小组与日本日东电工公司合作开发出了一种胶带，可用于将二维材料粘贴到许多不同的表面上，而且操作简便、易于使用。他们的研究成果发表在 2024 年 2 月 9 日的《自然-电子学》（Nature Electronics）杂志上。
“转移二维材料通常是一个非常技术性和复杂的过程；材料很容易撕裂或受到污染，从而大大降低其独特的性能，”领衔作者、九州大学全球创新中心的 Hiroki Ago 教授说。”我们的胶带提供了一种快速、简单的替代方法，并能减少损坏”。
九州大学的研究人员发现，使用紫外线胶带而不是聚合物转移石墨烯能更好地保持材料的完整性并减少缺陷。资料来源：九州大学阿戈实验室
研究人员首先关注石墨烯。石墨烯由碳原子薄片制成，具有坚韧、柔韧、轻质、高导热性和高导电性等特点。石墨烯一经发现就被誉为”神奇材料”，可应用于生物传感、抗癌药物输送、航空和电子设备等领域。
“制造石墨烯的主要方法之一是化学气相沉积法，即在铜膜上生长石墨烯。但要发挥正常性能，石墨烯必须与铜分离，并转移到硅等绝缘基底上，”阿戈教授解释说。”要做到这一点，需要在石墨烯上覆盖一层保护性聚合物，然后使用酸等蚀刻溶液去除铜。附着到新基底后，再用溶剂溶解聚合物保护层。这一过程成本高、耗时长，而且可能导致石墨烯表面出现缺陷或留下聚合物的痕迹。”
因此，阿戈教授和他的同事旨在提供一种转移石墨烯的替代方法。他们利用人工智能技术开发了一种被称为”紫外线胶带”的特殊聚合物胶带，这种胶带在紫外线照射下会改变对石墨烯的吸引力。
新设计的紫外线胶带能够将二维材料（包括石墨烯和过渡金属二卤化物）转移到一系列不同的基底上，包括硅、陶瓷、玻璃和塑料。资料来源：九州大学阿戈实验室
在紫外线照射之前，胶带与石墨烯的粘附力很强，可以将其”粘”住。然而，紫外线照射后，原子键发生变化，与石墨烯的粘附力降低了约 10%。紫外线胶带也会变得稍硬，更容易剥离。综合来看，这些变化使得胶带可以从设备基板上剥离，同时留下石墨烯。
研究人员还开发出了可以转移另外两种二维材料的胶带：白石墨烯（hBN）和过渡金属二卤化物（TMDs），前者是一种绝缘体，可以在二维材料堆叠时充当保护层，后者则是下一代半导体的理想材料。
重要的是，当研究人员仔细观察二维材料转移后的表面时，他们发现与目前使用传统技术转移时相比，二维材料表面更光滑，缺陷更少。在测试这些材料的特性时，他们还发现它们的效率更高。
迄今为止，九州大学和日东电工的研究人员已经成功地利用紫外线胶带转移了直径达 10 厘米的石墨烯晶片。对于较小的 UV 胶带，粘贴和剥离可以用手完成。不过，在大规模生产时，机器是非常有用的。资料来源：Nakatani 等人，《自然-电子学》，
与目前的转印技术相比，使用紫外线胶带进行转印还具有许多其他优势。由于 UV 胶带可以弯曲，而且转印过程不需要使用塑料溶解溶剂，因此可以使用柔性塑料作为设备的基底，从而扩大了潜在的应用范围。
“例如，我们制作了一个塑料装置，利用石墨烯作为太赫兹传感器。与 X 射线一样，太赫兹辐射可以穿过光线无法穿过的物体，但不会对人体造成伤害，”阿戈教授说。”它在医学成像或机场安检方面大有可为。”
更重要的是，UV 磁带可以按尺寸裁剪，因此只需传输准确数量的二维材料，从而最大限度地减少浪费，降低成本。不同材料的二维层还可以很容易地以不同的方向相互叠加，使研究人员能够探索叠加材料的新特性。
下一步，研究人员的目标是将紫外线胶带的尺寸扩大到制造商所需的规模。目前，可以转移的最大石墨烯晶片直径为 10 厘米。阿戈教授和他的同事们还在努力解决胶带上形成的褶皱和气泡问题，这些褶皱和气泡会造成小缺陷。
研究小组还希望提高二维材料的稳定性，以便二维材料能更长时间地附着在紫外线胶带上，并分发给最终用户，如其他科学家。
“最终用户只需像贴儿童贴纸一样贴上和撕下紫外线胶带，就能将材料转移到所需的基底上，无需任何培训，”阿戈教授说。”这种简便的方法可以从根本上改变研究风格，加快二维材料的商业开发。”
Reference:
“Ready-to-transfer two-dimensional materials using tunable adhesive force tapes” 9 February 2024, Nature Electronics.
DOI: 10.1038/s41928-024-01121-3
本文来自ScitechDaily，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
