这篇文章以“基于AI驱动的二维材料机器人组装”为研究背景，核心价值不在于提出一种新的转移工具和系统（也是一个值得研究和工程化的课题），而在于通过对PDMS模板几何形状、表面质量及热机械行为的系统工程化调控，将二维材料干法转移过程中原本依赖经验的接触与释放过程转化为可参数化、可预测和可批量复制的工艺流程，从而为实现高一致性器件制备及未来AI驱动的自动化范德华异质结构组装奠定了关键模板基础。
摘要
随着人工智能（AI）与二维材料研究的融合，基于机器人实现范德华异质结构的自动化堆叠正逐渐成为现实。实现这一目标的关键要素包括：用于识别材料层的算法、用于微尺度精密操作的硬件系统，以及同样重要的——在显微镜下用于拾取二维材料的高度标准化、均一的转移印章（stamp）。在本工作中，作者提出了一种基于热铸液滴（hot-cast droplet）的批量制备方法，用于制备适用于二维材料干法转移的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模板。通过对前驱体配比、脱气过程以及电动注射系统的精确控制，可以制备出具有半球形结构的PDMS模板，其表面极其平整（均方根粗糙度约为 0.3 nm），且在较低固化温度下即可实现。进一步地，通过调节固化温度，可以控制模板顶端曲率，从而通过热膨胀效应，实现有精确定义的接触面积，调控有机粘附层与基底之间的接触行为。此外，作者系统研究了不同制备参数对PDMS穹顶结构的热力学和力学行为的影响。于该模板，成功制备了高质量的BN/graphene/BN异质结构，证明其能够实现无缺陷的范德华界面转移。该方法具有良好的可扩展性和参数可控性，可实现超光滑且高度一致的转移印章批量制备，为未来基于AI驱动的二维材料机器人自动组装提供了关键支撑。
研究背景和主要内容
自2004年石墨烯被发现以来，二维（2D）材料因其优异的电学、光学和机械性能，彻底改变了凝聚态物理和纳米技术领域。将二维材料层垂直堆叠形成范德华（vdW）异质结构的能力，进一步拓展了这一领域，使得人们能够在扭转双层或多层体系中探索诸如超导、莫特绝缘态以及拓扑激发等关联量子现象。除了基础科学研究之外，这些人工堆叠的结构在量子器件、纳米电子学以及光电集成方面也展现出巨大的应用潜力。为了实现这些复杂结构的构建，干法转移技术已成为范德华组装的核心方法，它能够精确控制原子层的堆叠顺序、取向以及对准。在该方法中，通常使用一种柔性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章，其表面覆盖有有机粘附层（如聚碳酸酯 PC 或聚丙烯碳酸酯 PPC），在光学显微镜下实现对二维材料薄片的拾取与释放（如图1所示）。PDMS 的弹性使得粘附层能够与基底逐渐形成共形接触，从而在转移过程中减少对脆弱二维材料的机械应力。
图1. 基于PDMS的二维材料干法转移印章示意图。该印章由玻璃载片、半球形PDMS模板以及聚碳酸酯（PC）薄膜组成。通过精密机械平台控制的垂直运动，使PC薄膜能够通过受控粘附拾取二维材料薄片。柔性的PDMS模板能够实现与目标基底的逐步、可编程接触，从而支持多层范德华异质结构的逐步组装以及基于AI的定量机器人转移。
近年来，人工智能（AI）与二维材料研究的融合，正在推动干法转移向机器人自动化方向发展。基于AI的光学识别剥离薄片、微机械运动的闭环控制以及可编程热管理，正在逐步将依赖人工经验的堆叠过程转变为可重复、智能化的机器人操作。然而，要实现真正的全自动堆叠，标准化且高度一致的PDMS转移模板是必不可少的。PDMS 的热机械行为，特别是其几何形状、表面平整度以及温度相关的膨胀特性，直接决定了转移过程中的接触动力学和重复性。在本文中，我们提出了一种基于热铸液滴的批量制备方法，用于构建适用于二维材料干法转移的半球形PDMS模板。该方法结合了前驱体配比控制、脱气处理以及电动注射，实现了具有超光滑表面（均方根粗糙度约为0.3 nm）和可重复顶端曲率的PDMS穹顶结构。通过调节固化温度，可以精确调控PDMS的热膨胀行为，从而实现有机粘附层与基底之间接触面积的可预测控制。此外，通过系统研究不同固化条件下的热机械行为，建立了一个参数化的制备框架，用于实现可重复、面向AI应用的转移模板。这一可扩展的方法为未来实现基于AI驱动的二维材料机器人组装提供了重要基础。
图2. PDMS前驱体制备及交联反应机制。(a) 按10:1质量比混合基础预聚物与交联剂；(b) 机械搅拌以实现均匀混合；(c) 真空脱气以去除气泡；(d) 热固化过程中铂催化交联反应示意图；(e) 用于精确且可重复批量分配PDMS模板的阵列式微注射系统示意图，该系统集成了电动平台、注射阵列以及温控热板，可将PDMS液滴均匀沉积到预热玻璃基底上。
图3. PDMS模板表面粗糙度表征。(a) 在120°C固化条件下典型PDMS模板的三维AFM形貌；(b) 模板顶端1 μm²区域的高分辨AFM高度图；(c) 沿(b)中虚线提取的高度剖面；(d) 均方根粗糙度（Rq）随固化温度变化关系，误差棒表示标准偏差，插图为粗糙度分布直方图；(e) 与金属、树脂及光聚合物模板方法制备的PDMS表面粗糙度对比。
图4. 批量制备PDMS模板的温度依赖几何形状与质量。(a) 顶端曲率半径R随固化温度变化关系，误差棒表示标准偏差；右上插图为半椭球PDMS模板及其几何参数ra（长半轴）与rb（短半轴）；直方图显示每种温度下20个样品的R分布；(b) R、ra与rb随固化温度的变化，展示高温下交联加速导致的协同尺寸变化；(c) 模板质量随固化温度变化，表明批次间具有良好一致性。
图5. 不同固化温度下PDMS模板的热机械行为。(a) 干法转移装置示意图，包括转移印章、电动精密平台和热板；(b) 光学图像显示牛顿环的形成以及接触区域逐渐扩展至二维材料边缘；(c) 转移过程中设定与实际测量的基底温度曲线；(d) 在热循环过程中，接触半径随基底温度变化关系；(e) 对应的热膨胀速率随温度变化曲线。
文章链接： https://doi.org/10.1063/5.0311513
文章标题：Batch-fabricated PDMS templates for the robotic transfer of 2D materials
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