創(chuàng)新突破！利用自動(dòng)化轉(zhuǎn)移設(shè)備實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)石墨烯批量化轉(zhuǎn)移

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近年來，石墨烯單晶晶圓的可控制備已逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為石墨烯在電子、光電和傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。然而，如何將石墨烯晶圓完整、可重復(fù)、高效地轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上，仍是制約其規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵難題之一。

針對(duì)這一難題，北京大學(xué)劉忠范院士、林立研究員團(tuán)隊(duì)與劍橋大學(xué)毛博陽研究員在《Nature Chemical Engineering》期刊上發(fā)表最新研究成果，成功研制出一套石墨烯單晶晶圓的自動(dòng)化轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了石墨烯從銅生長襯底到硅襯底的全自動(dòng)、高通量、可重復(fù)的轉(zhuǎn)移流程，轉(zhuǎn)移至硅襯底的石墨烯載流子遷移率超過 14,000 cm2/V·s，日均轉(zhuǎn)移產(chǎn)能高達(dá)180片晶圓。該自動(dòng)化轉(zhuǎn)移系統(tǒng)在保證石墨烯性能的同時(shí)，大幅提升了轉(zhuǎn)移效率，降低了手工操作帶來的不確定性，為石墨烯晶圓的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的石墨烯轉(zhuǎn)移工藝普遍依賴聚合物支撐層和溶液相的物理化學(xué)過程，易產(chǎn)生石墨烯表面污染、水氧摻雜等問題。為了確保石墨烯在轉(zhuǎn)移過程中保持本征性質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)使用金屬鋁作為轉(zhuǎn)移介質(zhì)，鋁與石墨烯較高的結(jié)合力可以輔助石墨烯從生長襯底的直接剝離。隨后，通過對(duì)鋁層進(jìn)行氧化處理，形成氧化鋁薄膜，有效降低轉(zhuǎn)移介質(zhì)與石墨烯的粘附力；結(jié)合低溫處理使氧化鋁層因應(yīng)力累積發(fā)生斷裂，促使石墨烯與目標(biāo)硅襯底實(shí)現(xiàn)充分接觸，增強(qiáng)兩者之間的粘附力。最終，通過調(diào)控界面力，成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移介質(zhì)從石墨烯表面的直接剝離去除。

基于該轉(zhuǎn)移工藝，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并搭建了自動(dòng)轉(zhuǎn)移裝置，包括自動(dòng)勻膠機(jī)和自動(dòng)貼合與剝離裝置，能夠精確控制剝離過程中的薄膜張力，實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)石墨烯的無損、批量化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)移，日均轉(zhuǎn)移產(chǎn)能高達(dá)180片晶圓。

經(jīng)表征，4英寸石墨烯晶圓的轉(zhuǎn)移完整度高達(dá)99%，平均載流子遷移率為14,125 cm2/V·s。同時(shí)，在同一批次的多片晶圓中也實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移效果的一致性，充分驗(yàn)證了該自動(dòng)化轉(zhuǎn)移工藝的的優(yōu)異重復(fù)性與穩(wěn)定性。在能耗、成本和環(huán)保等方面，生命周期評(píng)估結(jié)果表明，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方法相比，自動(dòng)化轉(zhuǎn)移工藝在多個(gè)環(huán)境影響指標(biāo)上均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，具有更低的環(huán)境負(fù)擔(dān)和成本，提供了一種更加可持續(xù)的二維材料轉(zhuǎn)移方案。

在該研究工作中，北京大學(xué)劉忠范院士、林立研究員、劍橋大學(xué)毛博陽研究員為論文共同通訊作者；北京大學(xué)張艷鋒教授、謝芹工程師，北京石墨烯研究院賈開誠研究員、胡兆寧研究員等為重要合作者。

該工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京分子科學(xué)國家研究中心等機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目資助，并得到了北京石墨烯研究院、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院的分子材料與納米加工實(shí)驗(yàn)室（MMNL）儀器平臺(tái)、北京大學(xué)材料加工與測(cè)試中心的支持。

創(chuàng)新突破！利用自動(dòng)化轉(zhuǎn)移設(shè)備實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)石墨烯批量化轉(zhuǎn)移

圖1 石墨烯等二維材料的規(guī)?；a(chǎn)、轉(zhuǎn)移及商業(yè)應(yīng)用示意圖

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圖2 剝離過程中的斷裂力學(xué)及轉(zhuǎn)移介質(zhì)設(shè)計(jì)

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圖3 自主研發(fā)的石墨烯晶圓自動(dòng)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)

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圖4 轉(zhuǎn)移石墨烯晶圓的完整度、潔凈度和電學(xué)性質(zhì)

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s44286-025-00227-5

Automated processing and transfer of two-dimensional materials with robotics

來源：北京石墨烯研究院