[論文レビュー] Towards a 2D Printer: A Deterministic Cross Contamination-free Transfer Method for Atomically Layered Materials

Rohit Hemnani, Caitlin Carfano+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2018

Nanowire Synthesis and Applications参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、鋭いマイクロスタンパーと粘弾性ポリマーを用いた決定論的で汚染のない移行手法を提案する。この手法により、最先端の手法と比較して2〜3桁低いクロスコンタミネーションを実現しつつ、材料の品質を保持するとともに、下部のナノフォトニクス構造を保護できる。

ABSTRACT

Precision and chip contamination-free placement of two-dimensional (2D) materials is expected to accelerate both the study of fundamental properties and novel device functionality. Current transfer methods of 2D materials onto an arbitrary substrate deploy wet chemistry and viscoelastic stamping. However, these methods produce a) significant cross contamination of the substrate due to the lack of spatial selectivity b) may not be compatible with chemically sensitive device structures, and c) are challenged with respect to spatial alignment. Here, we demonstrate a novel method of transferring 2D materials resembling the functionality known from printing; utilizing a combination of a sharp micro-stamper and viscoelastic polymer, we show precise placement of individual 2D materials resulting in vanishing cross contamination to the substrate. Our 2D printer-method results show an aerial cross contamination improvement of two to three orders of magnitude relative to state-of-the-art dry and direct transfer methods. Moreover, we find that the 2D material quality is preserved in this transfer method. Testing this 2D material printer on taped-out integrated Silicon photonic chips, we find that the micro-stamper stamping transfer does not physically harm the underneath Silicon nanophotonic structures such as waveguides or micro-ring resonators receiving the 2D material. Such accurate and substrate-benign transfer method for 2D materials could be industrialized for rapid device prototyping due to its high time-reduction, accuracy, and contamination-free process.

研究の動機と目的

• 2次元材料を基板に移行する過程におけるクロスコンタミネーションという重要な課題に取り組む。
• 下部のデバイス構造を損傷させることなく、決定論的で空間的に選択的な2次元材料の配置を可能にする。
• 化学的に感受性が高くナノスケールのフォトニクスデバイスと互換性のある乾燥・清浄な移行プロセスを開発する。
• スケーラブルなデバイスプロトタイピングに適した高精度アライメントと最小限の汚染を実現する。
• 2次元材料の固有の電子的および光学的品質が移行中に保持されることを確保する。

提案手法

• 本手法では、硬質材料から作製された鋭いマイクロスタンパーを用い、1枚の2次元材料フラッケを選択的に採取する。
• 粘弾性ポリマー層を介して接着・剥離プロセスを制御し、制御された移行を実現する。
• 高解像度のアライメントシステムを用いてマイクロスタンパーを正確に位置決めし、2次元材料を基板上の所定の位置に配置する。
• プロセスは乾燥処理であり、湿式化学を避けるため、従来の湿式移行法に起因する残留汚染物質を排除する。
• 粘弾性ポリマーにより、最小限の残留忾力が確保され、SiN波導やマイクロリングレゾネーターなどの繊細な下部構造への損傷を防止する。
• 複雑なナノフォトニクス回路への適合性を検証するため、プロトタイピング済みのシリコンフォトニクスチップを用いて検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乾燥・決定論的移行手法は、任意の基板上での2次元材料のマイクロメートル未満の空間的精度を達成できるか？
• RQ2 提案手法は、従来の湿式および乾燥移行技術と比較して、どの程度クロスコンタミネーションを低減できるか？
• RQ3 移行プロセスは2次元材料の電子的および光学的品質を保持するか？
• RQ4 本手法は、壊れやすく化学的感受性の高いナノフォトニクスデバイスに適用可能であり、構造的損傷を引き起こさないか？
• RQ5 本移行プロセスはスケーラブルであり、2次元材料ベースのデバイスの迅速プロトタイピングに適しているか？

主な発見

• 本手法は、最先端の乾燥および直接移行法と比較して、空中でのクロスコンタミネーションが2〜3桁低減された。
• 移行後の2次元材料の品質、特にその光学的および電子的特性が保持された。
• 移行プロセス中に、下部の窒化ケイ素(SiN)波導やマイクロリングレゾネーターに物理的損傷は観察されなかった。
• 本技術は、高精度な空間的アライメントを実現でき、複雑なフォトニクス回路への統合に適している。
• 実際にプロトタイピング済みの集積回路を用いて検証した結果、既存のシリコンフォトニクスプラットフォームと互換性があることが示された。
• プロセスはスケーラブルかつ時間効率が良く、最小限の汚染リスクで迅速なデバイスプロトタイピングが可能である。