創新的整合平台，將二維材料整合進微電子裝置中

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科技產業資訊室 (iKnow) - 黃松勳發表於 2023年12月19日

圖、創新的整合平台，將二維材料整合進微電子裝置中

近年來，二維材料憑藉其不凡的物理特性(導電、磁性、材料特性)引起科學家的廣泛關注。只需幾個原子厚度的二維材料，已被認為有可能提升下一代電子設備的性能。不過，將二維材料完美地整合進像是電腦晶片之類的裝置與系統中，卻是一項極具挑戰性的任務，因為這些極薄的結構在傳統製程中，如化學處理、高溫烘烤或蝕刻等步驟，都有可能造成損壞。

面對這項挑戰，麻省理工學院(MIT)及其他研究單位的研究人員努力突破，開發出一種新的技術，可以同時在一個步驟中將二維材料和裝置進行整合，且不損壞二維材料的表面和介面。他們的方法是利用在奈米尺度物質之間存在的凡德瓦力(van der Waals forces)，將二維材料物理性地堆疊到前置裝置層上。

雖然利用凡德瓦力將材料與裝置整合為一是可行的，但也有一些難以避免的問題。因為凡德瓦力的大小決於材料本身的特性，無法隨意調整，故有些材料無法僅靠凡德瓦力本身與其他材料直接整合。以二硫化鉬(MoS₂)為例，這種流行的二維半導體材料可以與金進行黏合，但若僅用物理性接觸的方式則無法直接與二氧化矽等絕緣體黏合。然而，半導體與絕緣層的異質結構是電子裝置的關鍵建構單元，以前的整合方法是透過將二維材料黏合到金等中間層，然後利用中間層將二為材料轉移到絕緣體上，最後再透過化學或高溫去除中間層。

因此，研究人員利用金屬和絕緣體混合形成的黏合矩陣轉移(adhesive matrix transfer)方法來克服這個限制，在黏合力極強的矩陣中嵌入低黏合力的絕緣體。這個黏合的矩陣使得二維材料可以黏附在嵌入的低黏力表面，提供二維材料與絕緣體之間形成凡德瓦介面所需的吸引力。研究人員在完全潔淨的環境中單獨製備二維材料，然後將二維材料直接接觸到預製的裝置上堆疊。研究發現，當混合表面與二維材料層接觸時，無需靠任何高溫、溶劑或犧牲層，就能將二維材料層提取並將其與表面整合。

這種單步驟過程可維持二維材料介面的潔淨，使材料在不被缺陷或污染阻礙的情況下，達到基本性能的極限。該技術亦可應用於一系列材料，與其他力量一起使用以提高該平台的多功能性。例如：研究人員將石墨烯整合到裝置上，使用與聚合物製成的矩陣形成所需的凡德瓦介面，在此情況下，黏合力依賴於化學交互作用，而非單純的凡德瓦力。

此項研究的關鍵在於，能在製程中無暇地整合二維材料等新型材料，進而提升電子設備的性能，使二維材料裝置的研發更順利，並能優化與具有新功能。此技術不僅可以應用在各種材料上，還能在高效能運算、感測技術和可撓式電子設備等領域有廣泛的應用。(997字；圖1)

參考資料：
Researchers safely integrate fragile 2D materials into devices. MIT News, 2023/12/08.
Researchers safely integrate fragile 2D materials into devices, opening a path to unique electronic properties. Phys Org, 2023/12/08.

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