石墨烯、過渡金屬二硫屬化物（TMD）和六方氮化硼（hBN）等僅有原子厚度的二維片材（二維材料）因具有獨特的性質，有望被應用於下一代半導體、超導體、柔性電子和各種感測器等中。然而，在將二維片材轉移到基底層上時，存在例如二維材料碎裂或保存膜的聚合物殘留導致性能下降等諸多課題。
九州大學全球創新中心的吾鄉浩樹主幹教授、日東電工、合同會社二次元材料研究所、中央大學的李恆助教、河野行雄教授、九州大學先導物質研究所的吉澤一成教授、該大學研究生院綜合理工學研究院的辻雄太副教授、大阪大學產業科學研究所的末永和知教授、產業技術綜合研究所的林永昌主任研究員等組成的研究團隊發表研究成果稱，開發出了一種可以解決上述課題的，透過照射專門用於二維材料的紫外線使粘合力降低的功能性膠帶。由於可用於各種二維材料，還試製了柔性太赫茲感測器等。吾鄉主幹教授表示：「我們正以2030年左右爲目標，與半導體設備製造商合作推進二維材料在下一代半導體中的應用」。相關成果已發表在《Nature Electronics》的線上版上。
圖1 使用本次開發的UV膠帶的創新石墨烯轉移方法（供圖：九州大學）
在二維材料中，例如，要在硅基底層上形成石墨烯時，首先在藍寶石基底層上形成銅觸媒，並在其上合成石墨烯。在表面塗上聚合物保存膜後，將其浸入蝕刻溶液中以溶解銅，然後將高分子膜上殘留的石墨烯轉移到硅基底層上。然而，該方法需要花費大約3天的時間，且存在聚合物容易碎裂因此難以大面積製作、聚合物殘留清晰可見、銅觸媒無法回收利用等種種問題。
吾鄉主幹教授等爲驗證「是否可以用膠帶輕鬆粘貼」，於2017年開始與日東電工進行聯合研究，並在本次開發出了在UV光下粘着力降低至十分之一的轉移膠帶和工藝。
在新工藝中，先在銅觸媒上形成石墨烯，然後在膠帶上粘貼。之後將膠帶照射UV光，在石墨烯和銅之間產生電化學氫，從而將膠帶上的石墨烯從銅觸媒上剝離。將膠帶放在硅基底層上，施加一定的壓力後，可透過僅剝離膠帶，只將石墨烯粘貼到硅基底層上。由於不使用溶劑，銅可以被回收利用，還可以轉移到塑膠等中。
在10次試驗中，石墨烯轉移率最高達到99%（最低95%）。幾乎沒有觀察到聚合物殘留和石墨烯的碎裂。此外，與傳統方法相比，石墨烯器件的電子移動性提高了33%。
膠帶粘合劑的主要成分隨機共聚體具有雙鍵，但當暴露於紫外線時會發生聚合反應，從而降低凡得瓦力。此外，照射紫外線可使粘合劑硬化，剪切應力集中於底座和粘合劑界面，從而實施了本次絕妙的轉移。吾鄉主幹教授表示：「爲了獲得最佳的膠帶和轉移程序，我們結合了多種材料，建立了訓練資料，並用AI進行了分析，但凡得瓦力的控制是一個反複試錯的程序，因此我們花費了很大力氣」。
研究團隊不僅成功地將二維材料粘貼在石墨烯上，還成功將其粘貼在hBN和TMD上，併成功形成了石墨烯和hBN的雙層結構等。此外，還實施了目前最大直徑10釐米的石墨烯轉移，未來隨着製造設備廠商的技術進步，據稱將能夠實施更大面積的轉移。
吾鄉主幹教授表示：「今後，我們將透過與衆多大學和企業積極開展產學合作活動，促進二維材料的實際應用。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Electronics
論文：Ready to transfer two-dimensional materials using tunable adhesive force tapes
DOI：10.1038/s41928-024-01121-3
