Materialien, die nur atomar dick sind, sogenannte zweidimensionale (2D-)Materialien, werden zukünftige Technologien, einschließlich der Elektronikindustrie, revolutionieren. Die Kommerzialisierung von Geräten, die 2D-Materialien enthalten, wurde jedoch durch die Schwierigkeit erschwert, diese extrem dünnen Materialien vom Herstellungsort zum Gerät zu übertragen. Forscher haben ein UV-empfindliches Klebeband entwickelt, das eine einfachere, kostengünstigere und weniger schädliche Übertragung von zweidimensionalen Materialien wie Graphen ermöglicht.
Jetzt hat ein Forschungsteam der Kyushu-Universität in Zusammenarbeit mit dem japanischen Unternehmen Nitto Denko ein Klebeband entwickelt, mit dem sich 2D-Materialien auf viele verschiedene Oberflächen kleben lassen und das einfach und leicht zu verwenden ist. Ihre Forschungsergebnisse wurden am 9. Februar 2024 in der Fachzeitschrift „Nature Electronics“ veröffentlicht.
„Die Übertragung von 2D-Materialien ist normalerweise ein sehr technischer und komplexer Prozess; die Materialien können leicht reißen oder kontaminiert werden, wodurch ihre einzigartigen Eigenschaften stark beeinträchtigt werden“, sagte Hauptautor Professor Hiroki Ago vom Global Innovation Center der Kyushu University. „Unser Klebeband bietet eine schnelle, einfache Alternative und reduziert Schäden.“
Die Forscher konzentrierten sich zunächst auf Graphen. Graphen besteht aus dünnen Schichten von Kohlenstoffatomen und ist robust, flexibel, leicht und verfügt über eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit. Graphen wird seit seiner Entdeckung als „Wundermaterial“ gefeiert und kann in Bereichen wie der Biosensorik, der Verabreichung von Krebsmedikamenten, der Luftfahrt und elektronischen Geräten eingesetzt werden.
„Eine der Hauptmethoden zur Herstellung von Graphen ist die chemische Gasphasenabscheidung, bei der Graphen auf einem Kupferfilm wachsen gelassen wird. Um jedoch ordnungsgemäß zu funktionieren, muss Graphen vom Kupfer getrennt und auf ein isolierendes Substrat wie Silizium übertragen werden“, erklärte Professor Ago. „Dazu muss das Graphen mit einem schützenden Polymer bedeckt werden, und dann wird eine Ätzlösung wie Säure verwendet, um das Kupfer zu entfernen. Sobald es auf dem neuen Substrat befestigt ist, wird ein Lösungsmittel verwendet, um die schützende Polymerschicht aufzulösen. Dieser Prozess ist teuer, zeitaufwändig und kann Defekte auf der Graphenoberfläche verursachen oder Spuren des Polymers hinterlassen.“
Professor Argo und seine Kollegen wollten daher eine alternative Methode zur Übertragung von Graphen bereitstellen. Sie nutzten die Technologie der künstlichen Intelligenz, um ein spezielles Polymerband namens „UV-Band“ zu entwickeln, das seine Anziehungskraft auf Graphen ändert, wenn es ultraviolettem Licht ausgesetzt wird.
Vor der UV-Bestrahlung haftet das Band stark an Graphen und kann daran „kleben“. Nach der UV-Bestrahlung veränderten sich jedoch die Atombindungen und die Haftung an Graphen nahm um etwa 10 % ab. UV-Klebeband wird außerdem etwas härter und lässt sich leichter abziehen. Zusammengenommen ermöglichen diese Änderungen, dass das Band vom Gerätesubstrat abgezogen werden kann, während das Graphen zurückbleibt.
Die Forscher entwickelten außerdem Bänder, die zwei weitere zweidimensionale Materialien übertragen können: weißes Graphen (hBN), ein Isolator, der beim Stapeln zweidimensionaler Materialien als Schutzschicht fungieren kann, und Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs), ideal für Halbleiter der nächsten Generation.
Als die Forscher die Oberfläche nach der Übertragung des 2D-Materials genau untersuchten, stellten sie vor allem fest, dass die 2D-Materialoberfläche glatter war und weniger Defekte aufwies als bei der derzeitigen Übertragung mit herkömmlichen Techniken. Beim Testen der Eigenschaften dieser Materialien stellten sie außerdem fest, dass sie effizienter waren.
Die Verwendung von UV-Klebeband für Transfers bietet viele weitere Vorteile gegenüber aktuellen Transfertechnologien. Da sich UV-Bänder verbiegen lassen und für den Übertragungsprozess keine kunststofflösenden Lösungsmittel erforderlich sind, können flexible Kunststoffe als Trägermaterial für das Gerät verwendet werden, wodurch sich die Einsatzmöglichkeiten erweitern.
„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 sie schadet dem menschlichen Körper nicht“, sagte Professor Ago. „Es hat großes Potenzial für die medizinische Bildgebung oder die Flughafensicherheit.“
Darüber hinaus kann UV-Band auf die richtige Größe zugeschnitten werden, sodass nur die exakte Menge an 2D-Material übertragen werden muss, was den Abfall minimiert und die Kosten senkt. Zweidimensionale Schichten aus unterschiedlichen Materialien können auch problemlos in unterschiedlichen Ausrichtungen übereinander gestapelt werden, sodass Forscher neue Eigenschaften übereinanderliegender Materialien erforschen können.
Als nächstes wollen die Forscher das UV-Band auf die von den Herstellern geforderte Größe bringen. Derzeit hat der größte übertragbare Graphenwafer einen Durchmesser von 10 Zentimetern. Professor Argo und seine Kollegen arbeiten außerdem daran, das Problem der Falten- und Blasenbildung im Klebeband zu lösen, die zu kleinen Defekten führen können.
Das Team hofft außerdem, die Stabilität des 2D-Materials zu verbessern, damit es länger am UV-Band befestigt und an Endbenutzer, beispielsweise andere Wissenschaftler, verteilt werden kann.
„Der Endbenutzer bringt das UV-Band einfach wie einen Kinderaufkleber an und entfernt es und überträgt das Material ohne Schulung auf den gewünschten Untergrund“, sagte Professor Ago. „Dieser einfache Ansatz könnte den Forschungsstil grundlegend verändern und die kommerzielle Entwicklung von 2D-Materialien beschleunigen.“
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily