[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种使用尖锐微型印章和黏弹性聚合物的确定性、无污染转移方法，用于原子层状二维材料，实现了比当前最先进方法低两到三个数量级的交叉污染，同时保持材料质量并保护底层纳米光子结构。

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.

研究动机与目标

• 解决将二维材料转移到基底过程中存在的交叉污染关键挑战。
• 实现在不损坏底层器件结构的前提下，对二维材料进行确定性、空间选择性定位。
• 开发一种与化学敏感及纳米尺度光子器件兼容的干法、清洁转移工艺。
• 实现高精度对准和极低污染，以支持可扩展的器件原型制作。
• 在转移过程中保持二维材料的本征电子和光学质量。

提出的方法

• 该方法采用由硬质材料制成的尖锐微型印章，选择性地拾取单层二维材料薄片。
• 使用黏弹性聚合物层来调节粘附与释放过程，实现受控转移。
• 通过高分辨率对准系统精确放置微型印章，将二维材料定位在基底的预设位置。
• 该过程为干法，避免使用湿法化学，消除了传统湿法转移工艺中残留的污染物。
• 黏弹性聚合物确保残余应力最小化，并防止对如氮化硅波导和微环谐振器等脆弱底层结构造成损伤。
• 该方法已在流片的硅光子芯片上得到验证，证明其与复杂纳米光子电路的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 干法、确定性转移方法是否能在任意基底上实现亚微米级的空间精度？
• RQ2 与传统湿法和干法转移技术相比，所提出方法在多大程度上减少了交叉污染？
• RQ3 该转移过程是否保持了二维材料的电子和光学质量？
• RQ4 该方法是否可应用于脆弱的、化学敏感的纳米光子器件，而不会造成结构损伤？
• RQ5 该转移过程是否具备可扩展性，适合用于二维材料基器件的快速原型制作？

主要发现

• 与当前最先进的干法和直接转移方法相比，该方法实现了两到三个数量级的空中交叉污染降低。
• 转移后，二维材料的质量，包括其光学和电子特性，保持不变。
• 在转移过程中，未观察到对底层氮化硅波导或微环谐振器造成任何物理损伤。
• 该技术实现了确定性定位，具有高空间精度，适用于复杂光子电路的集成。
• 该方法与现有硅光子平台兼容，已在流片的集成电路中得到验证。
• 该过程具备可扩展性和高效率，可实现低污染风险的快速器件原型制作。