石墨烯、过渡金属二硫属化物（TMD）和六方氮化硼（hBN）等仅有原子厚度的二维片材（二维材料）因具有独特的性质，有望被应用于下一代半导体、超导体、柔性电子和各种传感器等中。然而，在将二维片材转移到基板上时，存在例如二维材料碎裂或保护膜的高分子残留导致性能下降等诸多课题。
九州大学全球创新中心的吾乡浩树主干教授、日东电工、合同会社二次元材料研究所、中央大学的李恒助教、河野行雄教授、九州大学先导物质研究所的吉泽一成教授、该大学研究生院综合理工学研究院的辻雄太副教授、大阪大学产业科学研究所的末永和知教授、产业技术综合研究所的林永昌主任研究员等组成的研究团队发表研究成果称，开发出了一种可以解决上述课题的，通过照射专门用于二维材料的紫外线使粘合力降低的功能性胶带。由于可用于各种二维材料，还试制了柔性太赫兹传感器等。吾乡主干教授表示：“我们正以2030年左右为目标，与半导体设备制造商合作推进二维材料在下一代半导体中的应用”。相关成果已发表在《Nature Electronics》的线上版上。
图1 使用本次开发的UV胶带的创新石墨烯转移方法（供图：九州大学）
在二维材料中，例如，要在硅基板上形成石墨烯时，首先在蓝宝石基板上形成铜催化剂，并在其上合成石墨烯。在表面涂上高分子保护膜后，将其浸入蚀刻溶液中以溶解铜，然后将高分子膜上残留的石墨烯转移到硅基板上。然而，该方法需要花费大约3天的时间，且存在高分子容易碎裂因此难以大面积制作、高分子残留清晰可见、铜催化剂无法回收利用等种种问题。
吾乡主干教授等为验证“是否可以用胶带轻松粘贴”，于2017年开始与日东电工进行联合研究，并在本次开发出了在UV光下粘着力降低至十分之一的转移胶带和工艺。
在新工艺中，先在铜催化剂上形成石墨烯，然后在胶带上粘贴。之后将胶带照射UV光，在石墨烯和铜之间产生电化学氢，从而将胶带上的石墨烯从铜催化剂上剥离。将胶带放在硅基板上，施加一定的压力后，可通过仅剥离胶带，只将石墨烯粘贴到硅基板上。由于不使用溶剂，铜可以被回收利用，还可以转移到塑料等中。
在10次试验中，石墨烯转移率最高达到99%（最低95%）。几乎没有观察到高分子残留和石墨烯的碎裂。此外，与传统方法相比，石墨烯器件的电子迁移率提高了33%。
胶带粘合剂的主要成分无规共聚物具有双键，但当暴露于紫外线时会发生聚合反应，从而降低范德华力。此外，照射紫外线可使粘合剂硬化，剪切应力集中于底座和粘合剂界面，从而实现了本次绝妙的转移。吾乡主干教授表示：“为了获得最佳的胶带和转移过程，我们结合了多种材料，创建了训练数据，并用AI进行了分析，但范德华力的控制是一个反复试错的过程，因此我们花费了很大力气”。
研究团队不仅成功地将二维材料粘贴在石墨烯上，还成功将其粘贴在hBN和TMD上，并成功形成了石墨烯和hBN的双层结构等。此外，还实现了目前最大直径10厘米的石墨烯转移，未来随着制造设备厂商的技术进步，据称将能够实现更大面积的转移。
吾乡主干教授表示：“今后，我们将通过与众多大学和企业积极开展产学合作活动，促进二维材料的实际应用。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature Electronics
论文：Ready to transfer two-dimensional materials using tunable adhesive force tapes
DOI：10.1038/s41928-024-01121-3
