Materialien, die nur wenige Atome dick sind und als zweidimensionale (2D) Materialien bekannt sind, werden die Zukunftstechnologie revolutionieren, auch in der Elektronikindustrie. Die Kommerzialisierung von Geräten, die 2D-Materialien enthalten, war jedoch mit Herausforderungen konfrontiert, da es schwierig war, diese extrem dünnen Materialien von ihrem Herstellungsort auf das Gerät zu übertragen.
Nun hat ein Forschungsteam der Universität Kyushu in Zusammenarbeit mit dem japanischen Unternehmen Nitto Denko ein Klebeband entwickelt, mit dem sich 2D-Materialien auf einfache und benutzerfreundliche Weise auf viele verschiedene Oberflächen kleben lassen. Die Ergebnisse waren veröffentlicht In Naturelektronik am 9. Februar 2024.
„Die Übertragung von 2D-Materialien ist typischerweise ein sehr technischer und komplexer Prozess; das Material kann leicht reißen oder kontaminiert werden, was seine einzigartigen Eigenschaften erheblich beeinträchtigt“, sagt Hauptautor Professor Hiroki Ago vom Global Innovation Center der Kyushu University. „Unser Klebeband bietet eine schnelle und einfache Alternative und reduziert Schäden.“
Die Forscher konzentrierten sich zunächst auf Graphen. Graphen besteht aus einer dünnen Schicht aus Kohlenstoffatomen und ist robust, flexibel und leicht, mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit. Bei seiner Entdeckung wurde es als „Wundermaterial“ bezeichnet und hat potenzielle Anwendungsmöglichkeiten in der Biosensorik, der Verabreichung von Krebsmedikamenten, der Luftfahrt und elektronischen Geräten.
Forschern der Universität Kyushu und von Nitto Denko ist es bisher gelungen, Graphenwafer mit einem Durchmesser von bis zu 10 cm mithilfe von UV-Band zu übertragen. Bei kleineren Stücken UV-Klebeband kann das Aufkleben und Abziehen von Hand erfolgen. Bei der Ausweitung auf die Massenproduktion sind Maschinen jedoch nützlich. Bildnachweis: Nakatani et al. Naturelektronik
„Eine der Hauptmethoden zur Herstellung von Graphen ist die chemische Gasphasenabscheidung, bei der Graphen auf einem Kupferfilm aufgewachsen wird. Um jedoch ordnungsgemäß zu funktionieren, muss das Graphen vom Kupfer getrennt und auf ein isolierendes Substrat wie Silizium übertragen werden“, erklärt Professor Ago .
„Dazu wird ein schützendes Polymer über das Graphen gelegt und das Kupfer anschließend mit einer Ätzlösung, beispielsweise Säure, entfernt. Sobald die schützende Polymerschicht auf dem neuen Substrat befestigt ist, wird sie mit einem Lösungsmittel aufgelöst. Dieser Prozess ist kostspielig.“ , zeitaufwändig und kann Defekte an der Graphenoberfläche verursachen oder Spuren des Polymers hinterlassen.“
Professor Ago und seine Kollegen wollten daher eine alternative Möglichkeit zur Übertragung von Graphen bereitstellen. Sie verwendeten KI, um ein spezielles Polymerband namens „UV-Band“ zu entwickeln, das seine Anziehungskraft auf Graphen ändert, wenn es mit UV-Licht bestrahlt wird.
Bevor das Band UV-Licht ausgesetzt wird, haftet es stark an Graphen, sodass es „kleben“ kann. Doch nach UV-Einwirkung verändert sich die Atombindung, was die Haftung an Graphen um etwa 10 % verringert. Das UV-Band wird außerdem etwas steifer und lässt sich leichter abziehen. Zusammengenommen ermöglichen diese Änderungen das Abziehen des Klebebands vom Gerätesubstrat, während das Graphen zurückbleibt.
Die Forscher entwickelten außerdem Bänder, die zwei weitere 2D-Materialien übertragen können: weißes Graphen (hBN), ein Isolator, der beim Stapeln von 2D-Materialien als Schutzschicht fungieren kann, und Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs), ein vielversprechendes Material für die nächste Generation von Halbleitern .
Als die Forscher die Oberfläche der 2D-Materialien nach der Übertragung genau untersuchten, stellten sie vor allem eine glattere Oberfläche mit weniger Defekten fest als bei der Übertragung mit der aktuellen herkömmlichen Technik. Beim Testen der Eigenschaften der Materialien stellten sie außerdem fest, dass sie effizienter waren.
Darüber hinaus bietet die Übertragung mit UV-Klebeband zahlreiche weitere Vorteile gegenüber herkömmlichen Übertragungstechniken. Da das UV-Band biegsam ist und für den Übertragungsprozess keine kunststofflösenden Lösungsmittel erforderlich sind, können flexible Kunststoffe als Substrat des Geräts verwendet werden, was die Einsatzmöglichkeiten erweitert.
„Wir haben zum Beispiel ein Kunststoffgerät hergestellt, das Graphen als Terahertz-Sensor verwendet. Wie Röntgenstrahlen kann Terahertz-Strahlung Objekte durchdringen, die Licht nicht durchdringen kann, aber dem Körper keinen Schaden zufügt“, sagt Professor Ago. „Es ist sehr vielversprechend für die medizinische Bildgebung oder die Flughafensicherheit.“
Darüber hinaus kann das UV-Band so zugeschnitten werden, dass nur genau die Menge an 2D-Material übertragen wird, die benötigt wird, wodurch Abfall minimiert und Kosten gesenkt werden. 2D-Schichten aus verschiedenen Materialien können auch problemlos in unterschiedlichen Ausrichtungen übereinander gelegt werden, sodass Forscher neue Eigenschaften der gestapelten Materialien erforschen können.
Für ihre nächsten Schritte streben die Forscher an, die Größe des UV-Bandes auf den für Hersteller erforderlichen Maßstab zu erweitern. Derzeit hat der größte übertragbare Graphenwafer einen Durchmesser von 10 cm. Professor Ago und seine Kollegen versuchen außerdem, das Problem der Falten und Blasen zu lösen, die sich auf dem Klebeband bilden und kleine Defekte verursachen.
Das Forschungsteam hofft außerdem, die Stabilität zu verbessern, sodass 2D-Materialien über einen längeren Zeitraum auf UV-Bändern befestigt und an Endbenutzer, beispielsweise andere Wissenschaftler, verteilt werden können.
„Die Endbenutzer können das Material dann auf das gewünschte Substrat übertragen, indem sie das UV-Band wie einen Kinderaufkleber anbringen und entfernen, ohne dass eine Schulung erforderlich ist“, sagt Professor Ago. „Eine solch einfache Methode könnte den Forschungsstil grundlegend verändern und die kommerzielle Entwicklung von 2D-Materialien beschleunigen.“
Mehr Informationen:
Bereit zum Übertragen zweidimensionaler Materialien mithilfe von Klebebändern mit einstellbarer Klebekraft, Naturelektronik (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01121-3