北京大学刘忠范院士、林立研究员，剑桥大学毛博阳研究员等人引入了一个自动化系统，通过设计界面粘附和应变，利用机器人技术实现CVD生长的2D材料的转移。开发的自动化转移系统具有工业兼容性，如高生产能力（每天高达180片晶圆），可靠的转移质量（转移的石墨烯载流子迁移率超过14000 cm2 V-1 s-1）以及转移材料的高均匀性和可重复性。开发的系统在成本和环境影响最小化方面也优于传统的人工转移方法。这种自动化系统可以加速未来二维材料的研究和商业化。

相关工作以《Automated processing and transfer of twodimensional materials with robotics》为题在《Nature Chemical Engineering》上发表论文。

图文介绍

图1.二维材料的工业生产、转移和商业应用示意图

为了充分发挥2D材料的潜力，CVD方法常见的主要挑战之一是缺乏可靠的方法将制造的高质量CVD生长材料从其生长基板（通常是金属箔）转移到目标基底（如硅基晶圆）上。在基材上提供可直接应用于后续加工步骤（例如掺杂、蚀刻和光刻）的2D材料，对于工业过程至关重要（图1a）。

本文报道了一个自动转移系统，能够转移一系列二维材料，包括石墨烯、hBN和MoS2，以及它们的异质结构。开发的自动化转移过程系统包括机器人，热蒸发器，旋转涂布机和自动层压和脱层机（图1b）。通过加入超薄层Al涂层和Al氧化步骤，可以微调和精确控制分层和层压过程中的界面粘附和应变。该转移策略和系统的潜在商业兼容性得到了高生产能力、高可靠的转移质量、高均匀性和可重复性。

图2.分层过程中的断裂力学及负载的Al膜无固溶转移的工程

在本研究中，金属Al被用作粘合层，以实现内应力和界面粘合的工程，从而使2D材料从其生长衬底（通常是Cu和蓝宝石衬底）上分层。反过来，这也允许Al氧化，以帮助负载Al薄膜从2D材料表面分层而无残留物。在分层过程中，以石墨烯为例，界面附着力的大小决定了发生分层的界面。例如，石墨烯在Cu表面的适形生长通过d-π相互作用导致石墨烯在Cu表面的强粘附。要实现石墨烯与Cu的成功分层，需要负载膜与石墨烯的粘附力比石墨烯与Cu之间的粘附力强；否则，如果粘附力较弱，只有负载层会从石墨烯表面脱落（图2a）。

尽管如此，在负载膜和石墨烯之间存在强附着力的传统转移中，裂纹可能会发生。这种不成功的分离有两个主要原因：（1）附着力的不均匀分布通常是由Cu衬底的不均匀解耦和支撑膜与石墨烯的非保形接触引起的。因此，在石墨烯与Cu的脱层过程中，石墨烯与支撑膜接触的粘附力较强的区域将发生脱层，而粘附力不足的区域将继续粘附在Cu上。当局部应变能超过石墨烯的表面能时，分层区和层合区的界面处积累的应变能会导致裂纹的形成（图2b）。（2）需要足够的应变能来克服分层表面的临界结合能。

为了克服黏附和外应变分布不均匀的问题，设计了一种转移路径，并结合自动转移过程系统对外应变进行调节。首先，采用热蒸发法制备20 nm厚的共形铝层。然后，自旋涂覆聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）层，然后涂覆热释放带（TRT）层，这有助于从预氧化铜（Cu）表面剥离石墨烯（图2c）。此外，在130℃下对Al涂层进行热氧化5分钟，然后在-80℃的冷冻室中低温冷却25分钟。这一过程导致Al/Al2O3层氧化并形成裂纹。利用HAADF-STEM成像（图2d）和能量色散X射线能谱图（图2e）证实了氧化后Al层上形成了5 nm厚的Al2O3。

原位STEM成像（图2f、g）证明，在热氧化之后，整个薄膜的冻结导致裂纹形成，而石墨烯保持完整并停留在SiO2/Si衬底表面（图2g）。由于Al/Al2O3与PMMA的热膨胀系数不同，裂纹是由Al/Al2O3中的累积应变产生的。这些裂纹确保了在Al/Al2O3层脱落之前，一些具有纳米级间隔的石墨烯区域与衬底保持保形接触，以增强石墨烯与SiO2/ Si衬底之间的附着力。残余应力的测量证实了Al氧化引起的内部应变的增强，其中通过激光扫描测量处理前后基体的合成曲率，以定量探测应力的变化。从统计分布（图2h）和晶圆尺度映射（图2i、j）可以证实，在整个晶圆上，Al膜的氧化使晶圆上的应力从66 MPa强烈增强到270 MPa。

图3.内置机器人的自动转移处理系统

机器人技术和人工智能的最新进展为纳米材料的自动转移提供了机会，以确保可重复性和足够的生产能力。如上节所述，Al/Al2O3被用作粘合层，以促进自动分层和层压过程。因此，作为关键步骤之一，铝在石墨烯上的沉积是通过集成自动溅射和热蒸发器来实现的。利用机器人技术实现了石墨烯晶圆的搬运和下落。旋转涂布、层合和脱层过程由自动转移工艺系统进行（图3a）。具体而言，PMMA在Al/石墨烯/Cu晶圆上的自动自旋镀膜是通过定制的设备实现的（图3b、c）。采用红外加热启动PMMA卷曲，并引入定位器以确保旋转镀膜机中心可重复放置晶片和PMMA层厚度均匀。

在PMMA包覆之后，下一个过程是基于自动层压和脱层机。机器配备了(1)机器人来运输样品；(2)有动态层压辊、从动辊和惰辊，用于重复层压和分层；(3)用于自动切割胶带的贴片机；(4)调节辊用于张力控制；(5)加热级和横流风机，去除TRT和引起Al氧化；(6)用于自动晶圆对准的几个定位器和用于过程监控的高度传感器，以确保可重复性（图3d-l）。整个传递过程是可编程的关于温度、层压压力和速率一致的结果和最佳的生产量。

图4 转移后的二维材料的可靠性和再现性

通过内部建立的一个转移系统，石墨烯晶圆的自动化转移可以实现每天180片的生产能力，具有可重复的完整性、表面清洁度和掺杂水平。可靠性和再现性的提高是与人工加工相比应用自动化加工的关键原因。在转移可靠性方面，石墨烯薄膜转移到4英寸SiO2/Si衬底后，其完整性保持在99%以上（图4a），证实了无裂纹转移。为了获得完整性，使用光学显微镜（OM）来分析整个晶圆上的微裂纹（图4b）。AFM图像（图4c）证明，在Al膜的机械分层后，石墨烯膜呈现出干净的表面，没有可检测到的Al残留物或褶皱。石墨烯在4英寸晶圆上的平均粗糙度约为0.24±0.03 nm（图4e）。

由于自动转移过程以无溶液的方式进行，因此可以抑制在涉及水溶液的转移过程中经常引入的与转移相关的掺杂，从而进一步提高转移材料的电子性能。为了评估电子性能，在4英寸晶圆上制造石墨烯霍尔杆结构器件（图4d、f），以测量载流子迁移率和相应的电子均匀性。代表性的转移曲线显示空穴和电子载流子迁移率分别为14137 cm2 V-1 s-1和14683 cm2 V-1 s-1（图4d）。通过基于97个器件的晶圆尺度映射，证实了整个晶圆上均匀的载流子迁移率（图4f），平均迁移率为14125 cm2 V-1 s-1，最大载流子迁移率为15971 cm2 V-1 s-1。

与手工蚀刻转移相比，转移石墨烯的电子性能也得到了明显的增强，2D峰与G峰的强度比更高，2D半峰全宽均匀（图4g）。根据2D峰位置与G峰位置的关系图，机器人转移的石墨烯显示出较低的空穴掺杂和应变水平，接近机械剥离的本征石墨烯状态（图4h）。这种转移方法和自动化机器的适应性通过将hBN和MoS2（石墨烯以外的其他2D材料）转移到各种目标衬底（如硅衬底以及HfO2和Al2O3涂层衬底）得到了证实（图4k、l）。

此外，通过将2英寸的MoS2依次堆叠在转移的4英寸石墨烯晶圆上，制备了MoS2/石墨烯异质结构（图4m）。相应的A1g强度的拉曼映射证实了所制异质结构的均匀性和无缺陷转移（图4n）。此外，制备的MoS2/石墨烯异质结构的截面透射电子显微镜图像显示了制备的异质结构的干净界面。由于异质结构的界面清洁，异质结构的光致发光（PL）出现轻微的蓝移，PL强度部分淬灭约48%，这可归因于MoS2/石墨烯界面处内置电场的激子分裂（图4o、p）。总的来说，该自动转移方法有可能推进二维材料批量转移到特定应用基板上的研究，以及vdW异质结构的制造。

图5.石墨烯转移过程的生命周期评估

自动转移和传统金属辅助转移的系统边界和单元过程如图5a所示，相应的生态剖面图如图5b所示。在传统的金属辅助转移工艺中，所有影响类别的环境负担可归因于步骤7（去除PMMA）和步骤8(蚀刻Al；图5b)由于化学试剂输入，包括丙酮、异丙醇和盐酸蚀刻剂。去除PMMA和Al的过程会产生有机溶剂和蚀刻剂的浪费，并且在表面留下不可避免的污染，这将降低转移的石墨烯的电子性能。研究结果表明，通过自动转移过程去除负载膜提供了一种潜在的环境竞争转移途径，避免了化学投入。

图5c、d展示了四种不同石墨烯转移方法的LCA比较，其中环境影响被归一化，并以每个指标的百分比表示。自动转移过程提供了一个可持续的二维材料转移路线，在所有影响类别中都比其他方法具有环境优势。

成果简介

Automated processing and transfer of two-dimensional materials with robotics，Nature Chemical Engineering，2025. 

https://www.nature.com/articles/s44286-025-00227-5