撰稿 / 張鳳吟 (科學推展中心特約編輯)
審訂 / 陳定睿 助理教授 (中原大學電子工程學系)
現行電子產業中，矽半導體是最主要的材料，然而，當矽晶片的尺寸小至奈米尺度時，會遭遇到因通道變短而導致的漏電問題。要解決此問題，必須將矽通道做的非常薄(至奈米的厚度)，但這也同時降低了電晶體的效能。因此，二維材料成為一個具有潛力的替代方案，其原子厚的結構擁有非常潔淨的表面，意味著它們即使在幾層原子的厚度還是能有效控制電流。這為二維材料堆疊的3D晶片開啟大門，亦能實現更小、更具能源效率的積體電路。
然而，高品質的二維材料必須在非常高溫(>500℃)的環境下成長，這與傳統的晶片製程技術不相容，為了與積體電路整合，二維材料通常需要從原基板轉印(transfer)到目標基板上。在過去幾十年，研究人員研究了各種轉印策略，將它們統分為兩大類：第一類是蝕刻方式，以化學物質來溶解基板，雖然這方法有效，但殘留的化學物會造成二維材料的損害；另一類是利用水輔助的分層技術，以及金屬輔助的乾式轉印技術，雖能避免化學物，但很難將二維材料乾淨地分離。
中原大學電子工程系陳定睿助理教授協同中研院原分所謝雅萍研究員與其麻省理工學院的團隊，及國立新加坡大學團隊，在近期發表於《自然》期刊(Nature)的論文中[1]，以不同的方式，提出一種快速而簡單的轉印策略，能有效克服傳統技術對於潔淨度、完整性與可量產性的挑戰。他們使用32 wt%弱鹼性的阿摩尼亞溶液(氨水)，將二維材料浸入溶液中，二維材料與成長基板的表面隨即帶有負電，吸引溶液中的正離子。這些正負離子雲在二維材料與基板之間形成所謂的「電雙層」(electric double layer，EDL (如圖1a)，離子濃度遠高於整體溶液的濃度，累積電荷產生的靜電排斥力(所謂的EDL排斥力)，將兩個表面自發性地分離。一般二維材料的轉印需借助一個高分子支撐層，將二維材料轉移到目標基板上(圖1b)，在傳統的蝕刻轉印裡，化學過程會讓高分子留下汙染的殘留物，以此新方法，透過物理方式，能夠避免此類汙染，達到超潔淨表面的成效。
圖1. (a) 二維材料與基板間形成電雙層(EDL)的示意圖。(b) 二維材料的轉印過程，結合溼乾式方法。來源：參考文獻1
團隊以二維材料二硫化鉬(MoS2)為例，證明EDL技術的快速、均勻，並且轉印後MoS2與成長基板仍保持完好無缺，僅出現少許皺褶、裂縫及汙染。重要的是，成長基板還能重複使用，可減少製程的成本。除此之外，團隊也為EDL排斥力的機制建立理論模型。在這基礎上，團隊成功利用超潔淨EDL轉印技術製造出n-型與p-型的二維電晶體，向未來的CMOS電路與三維積體電路邁出關鍵的一步。團隊在多種二維材料與合成基板上驗證此技術，並製作約300個元件，團隊證明，這些元件在可擴展性、可量產性、均勻性、潔淨度及電性表現方面，皆是目前二維元件中最佳。
團隊表示，由於EDL轉印技術的簡單且高度相容的特性，他們預見未來能與其它先進的轉印技術結合，例如真空附著技術(vacuum attachment)，從而實現高通量轉移，並獲得無氣泡和無吸附劑殘留的高品質界面。陳定睿老師在台大就讀博士班期間，曾以千里馬獎學金赴MIT訪問研究，作為其千里馬計畫的一部分，他在此工作中的貢獻為實驗比較新穎二維材料以傳統蝕刻轉移與 EDL(electrostatic double-layer)轉移的材料品質差異。這些優異成果不僅展示了千里馬計畫支持博士生海外研究的成效，也為台灣學者回國後持續與國際頂尖研究團隊合作奠定了重要基礎。
參考資料：
[1] Zheng, X., Wang, J., Jiang, J. et al. Electrostatic-repulsion-based transfer of van der Waals materials. Nature 645, 906–914 (2025).
