背景

近年來，石墨烯、六方氮化硼、黑磷、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）等二維材料，已經(jīng)成為熱門前沿科技領域之一。簡單說，二維材料一般由一層或幾層原子組成。它不但十分輕薄，而且具有優(yōu)異的電氣、機械、熱學、光學等特性。

六方氮化硼結構示意圖

（圖片來源：維基百科）

石墨烯結構示意圖

（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

所以，二維材料的應用領域十分廣闊，例如：自旋電子、印刷電子、柔性電子、微電子、存儲器、處理器、超透鏡、太赫茲、超級電容、太陽能電池、防偽標簽、量子點、傳感器、半導體制造、NFC、醫(yī)療等等。

二維材料的每個片層都含有一個共價結合，且不存在懸掛鍵的晶格，每個片層都能通過范德華力與相鄰片層形成弱相互作用。因此，不同的二維材料可以如同積木般堆疊在一起，進行優(yōu)勢互補，實現(xiàn)獨特的新功能。把不同的二維材料通過弱范德華作用力（存在于中性分子或原子之間的弱相互作用）堆疊在一起，就形成了所謂的“范德華異質(zhì)結”（van der Waals heterostructures）。

時下，范德華異質(zhì)結是納米技術方面引起科學家們濃厚興趣的新興領域之一。將具有不同特性（例如電學和光學等）的二維材料堆疊在一起后，科學家們能對組合而成的“新”材料特性實現(xiàn)人工調(diào)控。此外，由于層間弱的范德華作用力，相鄰的層間不再受晶格必須相匹配的限制。對于不同金屬、半導體和絕緣體層狀異質(zhì)結構的新特性的研究，促進了對光探測器、光伏器件、LED等電子器件設計的革新，讓這些器件具有許多前所未有的獨特功能。

范德華異質(zhì)結的開發(fā)，一直受到復雜且耗時的手工制造工藝的限制。也就是說，二維晶體通常都從大塊材料上剝落而來，然后由研究人員進行手工的辨認、采集，然后再堆疊到一起形成范德華異質(zhì)結。很顯然，這種人工處理方法無法適應含有范德華異質(zhì)結的電子器件的工業(yè)生產(chǎn)需求。

創(chuàng)新

近日，日本東京大學生產(chǎn)技術研究所的科研團隊解決了這一問題。他們開發(fā)出一種自動化機器人，大幅提升了二維晶體的采集以及組裝成范德華異質(zhì)結的速度。研究成果發(fā)表于《自然通信（Nature Communications）》雜志。

（圖片來源：SATORU MASUBUCHI / 東京大學生產(chǎn)技術研究所）

技術

機器人由自動化的高速光學顯微鏡組成，這種顯微鏡可以用于檢測晶體。然后，晶體的位置和參數(shù)會被記錄在電腦數(shù)據(jù)庫中。采用數(shù)據(jù)庫中的信息及定制化的軟件，就可以設計出異質(zhì)結。然后，再通過計算機算法指導的自動化設備一層一層地組裝異質(zhì)結。

論文第一作者 Satoru Masubuchi 表示：“機器人能在手套箱中發(fā)現(xiàn)、采集并組裝二維晶體。它一小時可以檢測400個石墨烯薄片，這比人工操作所達到的速率快很多。”

當機器人將石墨烯薄片組裝成范德華異質(zhì)結的時候，它每小時可以堆疊四層，每層只需要幾分鐘的人工輸入。機器人用于生產(chǎn)由29個交替的石墨烯層與六方氮化硼層（另外一種普通二維材料）組成的范德華異質(zhì)結。

下圖是由石墨烯與六方氮化硼交替組成的范德華異質(zhì)結

（圖片來源：SATORU MASUBUCHI / 東京大學生產(chǎn)技術研究所）

人工操作的范德華異質(zhì)結的層數(shù)記錄是13，而機器人極大提升了我們獲得復雜的范德華異質(zhì)結的能力。

價值

論文合著者之一 Tomoki Machida 表示：“我們的機器人可以采集和組裝一系列的材料。這個系統(tǒng)有望充分探索范德華異質(zhì)結。”

開發(fā)這種機器人，極大促進了范德華異質(zhì)結的生產(chǎn)以及它們在電子器件中的使用，也讓我們離實現(xiàn)具有原子級人造材料的器件又更近了一步。

關鍵字

二維材料、石墨烯、機器人、算法