[논문 리뷰] Towards a 2D Printer: A Deterministic Cross Contamination-free Transfer Method for Atomically Layered Materials

Rohit Hemnani, Caitlin Carfano외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 18.

Nanowire Synthesis and Applications참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 날카로운 마이크로스탬퍼와 점탄성 고분자를 사용하여 원자층으로 이루어진 2D 물질을 결정적이고 오염 없이 이송하는 방법을 제시한다. 이는 기존 최고 수준의 방법보다 교차 오염을 두~세 계단 낮춘 정밀한 배치를 가능하게 하며, 물질의 품질을 유지하고 기초가 되는 나노광학적 구조를 보호한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2D 물질을 기판에 이송하는 과정에서 발생하는 교차 오염 문제를 해결하기 위해.
• 기초 장치 구조를 손상시키지 않고 결정적이고 공간적으로 선택적인 2D 물질의 배치를 가능하게 하기 위해.
• 화학적으로 민감하고 나노스케일 광학 장치와 호환되는 건식, 청정 이송 공정을 개발하기 위해.
• 스케일업 가능한 장치 프로토타이핑을 위해 고정밀 정렬과 최소한의 오염을 달성하기 위해.
• 2D 물질의 본질적인 전기적 및 광학적 품질이 이송 과정 동안 유지되도록 하기 위해.

제안 방법

• 경도가 높은 재질로 제작된 날카로운 마이크로스탬퍼를 사용하여 단일 2D 물질 플레이크를 선택적으로 집어 올리는 방법을 채택한다.
• 점탄성 고분자 층을 이용해 부착 및 탈착 과정을 매개하여 제어 가능한 이송을 실현한다.
• 고해상도 정렬 시스템을 활용해 마이크로스탬퍼를 정밀하게 위치시켜 2D 물질을 기판의 사전 정의된 위치에 배치한다.
• 습식 화학을 회피하는 건식 공정을 통해 전통적인 습식 이송 방법에서 발생하는 잔류 오염을 제거한다.
• 점탄성 고분자는 최소한의 잔류 응력으로 인해 실리콘 질화물 웨이브가이드 및 마이크로링 레이저와 같은 민감한 기초 구조를 손상시키지 않는다.
• 복잡한 나노광학 회로와의 호환성을 입증하기 위해, 이 과정은 테이프아웃된 실리콘 광학 칩에서 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 건식, 결정적 이송 방법이 임의의 기판에 2D 물질을 마이크론 이하의 공간 정밀도로 정밀하게 이송할 수 있는가?
• RQ2 제안된 방법이 기존의 습식 및 건식 이송 기법에 비해 교차 오염을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 이송 과정이 2D 물질의 전기적 및 광학적 품질을 유지하는가?
• RQ4 이 방법이 구조적 손상 없이 취약하고 화학적으로 민감한 나노광학 장치에 적용 가능한가?
• RQ5 이 이송 공정은 스케일업 가능하며 2D 물질 기반 장치의 빠른 프로토타이핑에 적합한가?

주요 결과

• 이 방법은 최고 수준의 건식 및 직접 이송 방법에 비해 면적 기준 교차 오염을 두~세 계단 감소시켰다.
• 이송 후에도 2D 물질의 품질, 특히 광학적 및 전기적 특성이 그대로 유지되었다.
• 이송 과정 중 실리콘 질화물 웨이브가이드나 마이크로링 레이저에 물리적 손상이 관찰되지 않았다.
• 이 기술은 고정밀 공간 정확도를 실현하여 복잡한 광학 회로에 통합하는 데 적합하다.
• 이미 제작된 실리콘 광학 플랫폼과 호환됨을 입증한 바, 테이프아웃된 통합 회로에서 확인되었다.
• 이 공정은 스케일업 가능하고 시간 효율적이며, 최소한의 오염 위험으로 빠른 장치 프로토타이핑을 가능하게 한다.