科学家突破技术瓶颈，实现二维材料无损集成到电子器件

随着电子设备的不断发展，对新材料的需求也日益迫切。二维材料因其优异的电学、磁学和光学性能，成为下一代电子器件的理想候选材料。然而，将二维材料无损地整合到电子器件中却是一项巨大的挑战。传统的方法往往会破坏二维材料的结构和性能。

近年来，二维材料凭借其不凡的物理特性（导电、磁性、材料特性）引起科学家的广泛关注。只需几个原子厚度的二维材料，已被认为有可能提升下一代电子设备的性能。不过，将二维材料完美地整合进像计算机芯片之类的装置与系统中，却是一项极具挑战性的任务，因为这些极薄的结构在传统制程中，如化学处理、高温烘烤或蚀刻等步骤，都有可能造成损坏。

面对这项挑战，麻省理工学院（MIT）及其他研究单位的研究人员努力突破，开发出一种新的技术，可以同时在一个步骤中将二维材料和装置进行整合，且不损坏二维材料的表面和界面。他们​​的方法是利用在纳米尺度物质之间存在的范德华力（van der Waals forces），将二维材料物理性地堆叠到前置装置层上。该研究近日发表在《自然电子》上。

虽然利用范德华力将材料与装置整合为一是可行的，但也有一些难以避免的问题。因为范德华力的大小取决于材料本身的特性，无法随意调整，故有些材料无法仅靠范德华力本身与其他材料直接整合。以二硫化钼（MoS2）为例，这种流行的二维半导体材料可以与金进行粘合，但若仅用物理性接触的方式则无法直接与二氧化硅等绝缘体粘合。然而，半导体与绝缘层的异质结构是电子装置的关键构建单元，以前的整合方法是通过将二维材料粘合到金等中间层，然后再利用中间层将二为材料转移到绝缘体上，最后再通过化学或高温去除中间层。

因此，研究人员利用金属和绝缘体混合形成的粘合矩阵转移（adhesive matrix transfer）方法来克服这个限制，在粘合力极强的矩阵中嵌入低粘合力的绝缘体。这个粘合的矩阵使得二维材料可以粘附在嵌入的低粘力表面，提供二维材料与绝缘体之间形成范德华界面的所需的吸引力。研究人员在完全洁净的环境中单独制备二维材料，然后将二维材料直接接触到预制的装置上堆叠。研究发现，当混合表面与二维材料层接触时，无需靠任何高温、溶剂或牺牲层，就能将二维材料层提取并将其与表面整合。

这种单步骤过程可维持二维材料界面的洁净，使材料在不被缺陷或污染阻碍的情况下，达到基本性能的极限。该技术亦可应用于一系列材料，与其他力量一起使用以提高该平台的多功能性。例如：研究人员将石墨烯整合到装置上，使用与聚合物制成的矩阵形成所需的范德华界面，在此情况下，粘合力依赖于化学交互作用，而非单纯的范德华力。

此项研究的关键在于，能在制程中无缝地整合二维材料等新型材料，进而提升电子设备的性能，使二维材料装置的研发更顺利，并能优化且具有新功能。此技术不仅可以应用在各种材料上，还可以在高效能运算、传感技术和可挠式电子设备等领域有广泛的应用。