Material som bara är atomer i tjocklek, så kallade tvådimensionella (2D) material, kommer att revolutionera framtida teknik, inklusive inom elektronikindustrin. Kommersialisering av enheter som innehåller 2D-material har dock ställts inför utmaningar på grund av svårigheten att överföra dessa extremt tunna material från där de tillverkas till enheten.
Nu har ett forskarlag från Kyushu University, i samarbete med japanska företaget Nitto Denko, tagit fram en tejp som kan användas för att fästa 2D-material på många olika ytor, på ett enkelt och användarvänligt sätt. Resultaten publicerades i Nature Electronics den 9 februari 2024.
"Att överföra 2D-material är vanligtvis en mycket teknisk och komplex process; materialet kan lätt slitas sönder eller bli förorenat, vilket avsevärt försämrar dess unika egenskaper", säger huvudförfattaren, professor Hiroki Ago vid Kyushu Universitys Global Innovation Center. "Vår tejp erbjuder ett snabbt och enkelt alternativ och minskar skador."
Forskarna började med att fokusera på grafen. Gjord av ett tunt ark av kolatomer, är grafen seg, flexibel och lätt, med hög termisk och elektrisk ledningsförmåga. Kallas ett "undermaterial" vid upptäckt, det har potentiella tillämpningar inom biosensing, läkemedel mot cancer, flygteknik och elektronisk utrustning.
"En av huvudmetoderna för att göra grafen är genom kemisk ångavsättning, där grafen odlas på kopparfilm. Men för att prestera korrekt måste grafenen separeras från kopparn och överföras till ett isolerande substrat, som kisel", förklarar professor Ago .
"För att göra detta placeras en skyddande polymer över grafenen, och kopparn avlägsnas sedan med hjälp av etsningslösning, såsom syra. När det väl fästs på det nya substratet löses det skyddande polymerskiktet sedan upp med ett lösningsmedel. Denna process är kostsam. , tidskrävande och kan orsaka defekter på grafenens yta eller lämna spår av polymeren efter sig."
Professor Ago och hans kollegor syftade därför till att tillhandahålla ett alternativt sätt att överföra grafen. De använde AI för att utveckla en specialiserad polymertejp, kallad "UV-tejp", som ändrar sin attraktion till grafen när den bestrålas med UV-ljus.
Innan exponering för UV-ljus har tejpen en stark vidhäftning till grafen, vilket gör att den kan "fastna". Men efter UV-exponering förändras atombindningen, vilket minskar vidhäftningsnivån till grafen med cirka 10 %. UV-tejpen blir också något styvare och lättare att dra av. Sammantaget gör dessa förändringar att tejpen kan dras av enhetens substrat samtidigt som grafenet lämnas kvar.
Forskarna utvecklade också tejper som kan överföra två andra 2D-material:vit grafen (hBN), en isolator som kan fungera som ett skyddande lager vid stapling av 2D-material, och övergångsmetalldikalkogenider (TMD), ett lovande material för nästa generations halvledare .
Viktigt, när forskarna tittade noga på ytan av 2D-material efter överföring, såg de en jämnare yta med färre defekter än när de överfördes med den nuvarande konventionella tekniken. När de testade materialens egenskaper fann de också att de var effektivare.
Överföring med UV-tejp erbjuder också många andra fördelar jämfört med nuvarande överföringstekniker. Eftersom UV-tejpen är böjig och överföringsprocessen inte kräver användning av plastupplösande lösningsmedel, kan flexibla plaster användas som substrat för enheten, vilket utökar potentiella tillämpningar.
"Vi gjorde till exempel en plastanordning som använder grafen som terahertzsensor. Liksom röntgenstrålning kan terahertzstrålning passera genom föremål som ljus inte kan, men som inte skadar kroppen", säger professor Ago. "Det är mycket lovande för medicinsk bildbehandling eller flygplatssäkerhet."
Dessutom kan UV-tejpen skäras till så att endast den exakta mängden 2D-material som behövs överförs, vilket minimerar avfallet och sänker kostnaderna. 2D-lager av olika material kan också enkelt läggas ovanpå varandra i olika orienteringar, vilket gör det möjligt för forskare att utforska nya framträdande egenskaper från de staplade materialen.
För sina nästa steg siktar forskarna på att utöka storleken på UV-tejpen till den skala som behövs för tillverkarna. För närvarande är den största rån av grafen som kan överföras 10 cm i diameter. Professor Ago och hans kollegor försöker också lösa problemet med rynkor och bubblor som bildas på tejp, vilket orsakar små defekter.
Forskargruppen hoppas också kunna förbättra stabiliteten, så att 2D-material kan fästas på UV-band under en längre tid och distribueras till slutanvändare, såsom andra forskare.
"Slutanvändarna kan sedan överföra materialet till sitt önskade underlag genom att applicera och ta bort UV-tejpen som ett barns klistermärke, utan att behöva träna", säger professor Ago. "En sådan enkel metod kan i grunden förändra forskningens stil och påskynda den kommersiella utvecklingen av 2D-material."
Mer information: Klara att överföra tvådimensionella material med hjälp av avstämbara självhäftande krafttejper, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01121-3
Journalinformation: Naturelektronik
Tillhandahålls av Kyushu University
