新型胶带可以像孩子玩耍一样轻松地拾取和粘贴2D材料
厚度仅为原子的材料,称为二维 (2D) 材料,将彻底改变未来技术,包括电子行业。然而,含有 2D 材料的设备的商业化面临着挑战,因为将这些极薄的材料从制造地转移到设备上非常困难。
现在,九州大学的一个研究团队与日本公司 Nitto Denko 合作开发了一种胶带,可以以简单且用户友好的方式将 2D 材料粘贴到许多不同的表面。他们的研究结果于 2024 年 2 月 9 日发表在《自然电子》杂志上。
“转移 2D 材料通常是一个技术性很强且复杂的过程;该材料很容易撕裂或被污染,从而显着降低其独特的性能,”主要作者、九州大学全球创新中心的Hiroki Ago 教授说道。“我们的胶带提供了一种快速而简单的替代方案,并减少了损坏。”
研究人员首先关注石墨烯。石墨烯由薄薄的碳原子片制成,坚韧、柔韧、重量轻,具有高导热性和导电性。它一经发现就被称为“神奇材料”,在生物传感、抗癌药物输送、航空和电子设备方面具有潜在的应用前景。
“制造石墨烯的主要方法之一是通过化学气相沉积,其中石墨烯生长在铜膜上。但为了正常工作,石墨烯必须与铜分离并转移到绝缘基板上,例如硅,”阿戈教授解释道。“为此,将保护性聚合物放置在石墨烯上,然后使用酸等蚀刻溶液去除铜。一旦附着到新的基材上,保护性聚合物层就会用溶剂溶解。这个过程成本高昂、耗时,并且可能会导致石墨烯表面缺陷或留下聚合物痕迹。”
因此,Ago 教授和他的同事致力于提供一种转移石墨烯的替代方法。他们利用人工智能开发了一种特殊的聚合物胶带,称为“紫外线胶带”,当受到紫外线照射时,它会改变其对石墨烯的吸引力。
在暴露于紫外线之前,胶带对石墨烯具有很强的附着力,使其能够“粘住”。但在紫外线照射后,原子键发生变化,从而使石墨烯的附着力降低约 10%。UV 胶带也会变得稍微硬一些并且更容易剥离。总而言之,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。
研究人员还开发了可以转移另外两种二维材料的胶带:白色石墨烯(hBN),一种在堆叠二维材料时可以充当保护层的绝缘体,以及过渡金属二硫属化物(TMD),一种有前途的下一代半导体材料。
重要的是,当研究人员仔细观察转移后的二维材料表面时,他们发现与使用当前传统技术转移时相比,表面更光滑,缺陷更少。在测试这些材料的特性后,他们还发现它们的效率更高。
与当前的转印技术相比,使用 UV 胶带进行转印还具有许多其他优点。由于UV胶带具有柔韧性,且转移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材,从而扩大了潜在的应用范围。
“例如,我们制造了一种使用石墨烯作为太赫兹传感器的塑料设备。与 X 射线一样,太赫兹辐射可以穿过光不能穿过的物体,但不会损害身体,”Ago 教授说。“这对于医学成像或机场安全来说非常有前景。”
更重要的是,UV 胶带可以切割成适当的尺寸,以便仅转移所需数量的 2D 材料,从而最大限度地减少浪费并降低成本。不同材料的二维层也可以轻松地以不同方向堆叠在一起,使研究人员能够探索堆叠材料的新特性。
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