Nieuw plakband pakt en plakt 2D-materialen net zo gemakkelijk als kinderspel

Materialen die slechts atomen dik zijn, bekend als tweedimensionale (2D) materialen, zullen een revolutie teweegbrengen in de toekomstige technologie, ook in de elektronica-industrie. De commercialisering van apparaten die 2D-materialen bevatten, is echter met uitdagingen geconfronteerd vanwege de moeilijkheid om deze extreem dunne materialen van de plaats waar ze zijn gemaakt naar het apparaat over te brengen.

Nu heeft een onderzoeksteam van de Kyushu Universiteit, in samenwerking met het Japanse bedrijf Nitto Denko, een tape ontwikkeld die kan worden gebruikt om 2D-materialen op een gemakkelijke en gebruiksvriendelijke manier op veel verschillende oppervlakken te plakken. De bevindingen waren gepubliceerd in Natuurelektronica op 9 februari 2024.

“Het overbrengen van 2D-materialen is doorgaans een zeer technisch en complex proces; het materiaal kan gemakkelijk scheuren of vervuild raken, waardoor de unieke eigenschappen ervan aanzienlijk worden aangetast”, zegt hoofdauteur, professor Hiroki Ago van het Global Innovation Center van Kyushu University. “Onze tape biedt een snel en eenvoudig alternatief en beperkt de schade.”

De onderzoekers begonnen zich te concentreren op grafeen. Grafeen is gemaakt van een dunne laag koolstofatomen en is sterk, flexibel en licht, met een hoge thermische en elektrische geleidbaarheid. Bij ontdekking werd het een ‘wondermateriaal’ genoemd en het heeft potentiële toepassingen in biosensoren, toediening van medicijnen tegen kanker, luchtvaart en elektronische apparaten.

“Een van de belangrijkste methoden om grafeen te maken is door middel van chemische dampafzetting, waarbij grafeen op koperfilm wordt gekweekt. Maar om goed te kunnen presteren, moet het grafeen worden gescheiden van het koper en worden overgebracht naar een isolerend substraat, zoals silicium”, legt professor Ago uit. .

“Om dit te doen, wordt een beschermend polymeer over het grafeen geplaatst en wordt het koper vervolgens verwijderd met behulp van een etsoplossing, zoals zuur. Eenmaal gehecht aan het nieuwe substraat, wordt de beschermende polymeerlaag vervolgens opgelost met een oplosmiddel. Dit proces is kostbaar , tijdrovend en kan defecten aan het grafeenoppervlak veroorzaken of sporen van het polymeer achterlaten.”

Professor Ago en zijn collega’s wilden daarom een ​​alternatieve manier bieden om grafeen over te dragen. Ze gebruikten AI om een ​​gespecialiseerde polymeertape te ontwikkelen, genaamd ‘UV-tape’, die zijn aantrekkingskracht op grafeen verandert wanneer hij wordt bestraald met UV-licht.

Vóór blootstelling aan UV-licht heeft de tape een sterke hechting aan grafeen, waardoor deze kan “plakken”. Maar na blootstelling aan UV verandert de atoombinding, waardoor de mate van adhesie aan grafeen met ongeveer 10% afneemt. De UV-tape wordt ook iets stijver en gemakkelijker af te pellen. Alles bij elkaar zorgen deze veranderingen ervoor dat de tape van het substraat van het apparaat kan worden afgepeld terwijl het grafeen achterblijft.

De onderzoekers ontwikkelden ook tapes die twee andere 2D-materialen kunnen overbrengen: wit grafeen (hBN), een isolator die als beschermende laag kan fungeren bij het stapelen van 2D-materialen, en transitiemetaaldichalcogeniden (TMD’s), een veelbelovend materiaal voor de volgende generatie halfgeleiders. .

Belangrijk is dat toen de onderzoekers na de overdracht goed naar het oppervlak van de 2D-materialen keken, ze een gladder oppervlak zagen met minder defecten dan bij overdracht met de huidige conventionele techniek. Bij het testen van de eigenschappen van de materialen ontdekten ze ook dat ze efficiënter waren.

Overdracht met UV-tape biedt daarnaast nog tal van andere voordelen ten opzichte van de huidige overdrachtstechnieken. Omdat de UV-tape buigzaam is en het overdrachtsproces geen gebruik van plasticoplossende oplosmiddelen vereist, kunnen flexibele kunststoffen als substraat van het apparaat worden gebruikt, waardoor de potentiële toepassingen worden uitgebreid.

“We hebben bijvoorbeeld een plastic apparaat gemaakt dat grafeen als terahertz-sensor gebruikt. Net als röntgenstraling kan terahertz-straling door objecten heen gaan waar licht dat niet kan, maar het lichaam wordt niet beschadigd”, zegt professor Ago. “Het is veelbelovend voor medische beeldvorming of luchthavenbeveiliging.”

Bovendien kan de UV-tape op maat worden geknipt, zodat alleen de exacte hoeveelheid benodigde 2D-materiaal wordt overgebracht, waardoor verspilling wordt geminimaliseerd en de kosten worden verlaagd. 2D-lagen van verschillende materialen kunnen ook eenvoudig in verschillende oriëntaties op elkaar worden gelegd, waardoor onderzoekers nieuwe eigenschappen van de gestapelde materialen kunnen onderzoeken.

Voor hun volgende stappen streven de onderzoekers ernaar de omvang van de UV-tape uit te breiden tot de schaal die nodig is voor fabrikanten. Momenteel heeft de grootste grafeenwafel die kan worden overgebracht een diameter van 10 cm. Professor Ago en zijn collega’s proberen ook het probleem op te lossen van rimpels en luchtbellen die zich op tape vormen en kleine defecten veroorzaken.

Het onderzoeksteam hoopt ook de stabiliteit te verbeteren, zodat 2D-materialen voor langere tijd aan UV-tapes kunnen worden bevestigd en gedistribueerd naar eindgebruikers, zoals andere wetenschappers.

“De eindgebruikers kunnen het materiaal vervolgens op het gewenste substraat overbrengen door de UV-tape aan te brengen en te verwijderen als een kindersticker, zonder dat daarvoor training nodig is”, zegt professor Ago. “Zo’n eenvoudige methode zou de stijl van onderzoek fundamenteel kunnen veranderen en de commerciële ontwikkeling van 2D-materialen kunnen versnellen.”