近年來，石墨烯單晶晶圓的可控制備已逐步實現(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)移到目標襯底上，仍是制約其規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵難題之一。

針對這一難題，北京大學劉忠范院士、林立研究員團隊與劍橋大學毛博陽研究員在《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化轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了石墨烯從銅生長襯底到硅襯底的全自動、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180片晶圓。該自動化轉(zhuǎn)移系統(tǒng)在保證石墨烯性能的同時，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)，研究團隊使用金屬鋁作為轉(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，通過對鋁層進行氧化處理，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，促使石墨烯與目標硅襯底實現(xiàn)充分接觸，增強兩者之間的粘附力。最終，通過調(diào)控界面力，成功實現(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，研究團隊設(shè)計并搭建了自動轉(zhuǎn)移裝置，包括自動勻膠機和自動貼合與剝離裝置，能夠精確控制剝離過程中的薄膜張力，實現(xiàn)了晶圓級石墨烯的無損、批量化、自動化轉(zhuǎn)移，日均轉(zhuǎn)移產(chǎn)能高達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99%，平均載流子遷移率為14,125 cm2/V·s。同時，在同一批次的多片晶圓中也實現(xiàn)了轉(zhuǎn)移效果的一致性，充分驗證了該自動化轉(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，生命周期評估結(jié)果表明，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方法相比，自動化轉(zhuǎn)移工藝在多個環(huán)境影響指標上均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，具有更低的環(huán)境負擔和成本，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，北京大學劉忠范院士、林立研究員、劍橋大學毛博陽研究員為論文共同通訊作者；北京大學張艷鋒教授、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基金、國家重大科學研究計劃、科技部重點研發(fā)計劃、北京分子科學國家研究中心等機構(gòu)和項目資助，并得到了北京石墨烯研究院、北京大學化學與分子工程學院的分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平臺、北京大學材料加工與測試中心的支持。

圖1 石墨烯等二維材料的規(guī)模化生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移及商業(yè)應(yīng)用示意圖

圖2 剝離過程中的斷裂力學及轉(zhuǎn)移介質(zhì)設(shè)計

圖3 自主研發(fā)的石墨烯晶圓自動轉(zhuǎn)移系統(tǒng)

圖4 轉(zhuǎn)移石墨烯晶圓的完整度、潔凈度和電學性質(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