作者罗布·马西森，麻省理工学院 麻省理工学院的研究人员开发了一种技术，可以将二维材料直接生长到图案化的衬底上(如图所示)，然后将图案循环利用，以实现更快、更简单的芯片制造
学分:麻省理工学院 奇异的二维材料为制造原子级电路提供了巨大的希望，这种电路可以为柔性电子器件、光电子器件和其他下一代器件提供动力
但是制造复杂的二维电路需要多个耗时且昂贵的步骤
在PNAS发表的一篇论文中，麻省理工学院和其他地方的研究人员描述了一种简化制造过程的技术，这种技术通过直接在有图案的衬底上生长二维材料并回收电路图案
研究人员小心翼翼地在生长基质上以选定的模式生长一层只有三个原子厚的二硫化钼
这种方法不同于传统技术，传统技术是在多层上反复生长和蚀刻材料
这些过程需要一段时间，增加了产生表面缺陷的机会，这些缺陷可能会阻碍材料的性能
使用这种新方法，只需用水，研究人员就可以将材料从生长基底转移到目的基底，如此干净，以至于原始的图案化基底可以作为“主-副本”类型的模具重复使用，这意味着可以重复使用制造模板
在传统的制造工艺中，生长衬底在每次材料转移后都被丢弃，电路必须在新的衬底上再次形成图案，以重新生长更多的材料
“当我们扩大规模制造更复杂的电子设备时，人们需要将大量二维材料整合成更多的层和特定的形状
如果我们按照传统的方法，一步一步来，这将是非常耗时和低效的，”第一作者郭说，他是电子工程与计算机科学系()和电子研究实验室的博士后
“我们的方法显示了使整个制造过程更简单、成本更低、效率更高的潜力
" 在他们的工作中，研究人员制造了任意图案和由二硫化钼制成的工作晶体管，二硫化钼是已知的最薄的半导体之一
在他们的研究中，研究人员在没有看到磨损迹象的情况下，将相同的图案基底循环使用了四次
与郭合著论文的有教授托马斯·帕拉西奥斯和；居里，麻省理工学院核科学与工程和材料科学与工程教授；波士顿大学的·凌；普渡大学的窦乐田和郑恩石；其他七名麻省理工学院的研究生、博士后和校友；康奈尔大学和普渡大学的另外两位合著者
受控增长 为了在生长基质上设计图案，研究人员利用了一种技术，这种技术使用氧基等离子体在基质表面雕刻图案
这种技术的一些版本以前已经被实验性地用于生长二维材料图案
但是空间分辨率——也就是可以制造的精确结构的尺寸——相对较差(100微米)，电性能比用其他方法生长的材料低得多
为了解决这个问题，研究人员对二硫化钼原子如何在衬底表面排列以及某些化学前体如何帮助控制材料的生长进行了深入研究
通过这样做，他们能够利用这种技术在精确的图案中生长出一层高质量的二氧化硅
研究人员在氧化硅衬底上使用传统的光刻掩模，所需的图案位于未曝光的区域
这些区域随后暴露于氧基等离子体
等离子体蚀刻掉图案中约1-2纳米的衬底
这个过程也产生了更高的表面能和对这些等离子体处理区域中亲水性分子的增强的亲和力
然后，研究人员使用一种叫做PTAS的有机盐，作为二硫化钼的生长促进剂
盐被吸引到新形成的亲水蚀刻区域
此外，研究人员在精确的量和温度下使用硫(二硫化钼生长的重要前体)来精确控制衬底上形成的材料原子的数量
当研究人员随后测量二氧化硅的生长时，他们发现它填充了大约0
7纳米的蚀刻图案
这相当于一层二氧化硅
回收图案 接下来，研究人员开发了一种回收图案化衬底的方法
传统上，将二维材料从生长衬底转移到目标衬底(例如柔性表面)上，需要将整个生长的材料包裹在聚合物中，对其进行化学蚀刻，并将其从生长衬底上分离
但这不可避免地会给材料带来污染物
当材料释放时，也会留下残留物，因此原始基材可能无法重复使用
然而，由于二硫化钼和生长基质之间的弱相互作用，研究人员发现，他们可以通过将二硫化钼浸没在水中，将二硫化钼从原始基质上彻底分离
这一过程被称为“分层”，它消除了使用任何支撑层的需要，并使基材上的材料完全断裂
“这就是为什么我们可以回收它，”郭说
“在转移之后，因为它纯粹是干净的，我们的图案化衬底被回收，我们可以使用它进行多种生长
" 研究人员的创新引入了更少的限制性能的表面缺陷，以电子迁移率衡量——电子在半导体中的移动速度
在他们的论文中，研究人员制造了一种二维晶体管，称为场效应晶体管
结果表明，电子迁移率和“开关比”——晶体管在1和0计算状态之间闪烁的效率——与传统生长的高质量、高性能材料的报道值相当
场效应晶体管目前的空间分辨率约为2微米，这仅受研究人员使用的激光微加工仪器的限制
接下来，研究人员希望缩小图案尺寸，并使用他们的制造技术直接在二维材料上集成复杂电路
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