I materiali con uno spessore di appena un atomo, noti come materiali bidimensionali (2D), sono destinati a rivoluzionare la tecnologia futura, anche nel settore elettronico. Tuttavia, la commercializzazione di dispositivi che contengono materiali 2D ha dovuto affrontare sfide dovute alla difficoltà di trasferire questi materiali estremamente sottili dal luogo in cui sono realizzati al dispositivo.
Ora, un gruppo di ricerca dell’Università di Kyushu, in collaborazione con la società giapponese Nitto Denko, ha sviluppato un nastro che può essere utilizzato per attaccare materiali 2D su molte superfici diverse, in modo semplice e intuitivo. I risultati sono stati pubblicati su Nature Electronics il 9 febbraio 2024.
"Il trasferimento di materiali 2D è in genere un processo molto tecnico e complesso; il materiale può facilmente strapparsi o contaminarsi, il che degrada in modo significativo le sue proprietà uniche", afferma l'autore principale, il professor Hiroki Ago del Global Innovation Center dell'Università di Kyushu. "Il nostro nastro offre un'alternativa rapida e semplice e riduce i danni."
I ricercatori hanno iniziato concentrandosi sul grafene. Realizzato da un sottile foglio di atomi di carbonio, il grafene è resistente, flessibile e leggero, con elevata conduttività termica ed elettrica. Soprannominato un "materiale meraviglioso" al momento della scoperta, ha potenziali applicazioni nel biorilevamento, nella somministrazione di farmaci antitumorali, nell'aeronautica e nei dispositivi elettronici.
"Uno dei metodi principali per produrre il grafene è attraverso la deposizione chimica in fase vapore, in cui il grafene viene coltivato su una pellicola di rame. Ma per funzionare correttamente, il grafene deve essere separato dal rame e trasferito su un substrato isolante, come il silicio", spiega il professor Ago. .
"Per fare ciò, un polimero protettivo viene posizionato sul grafene e il rame viene quindi rimosso utilizzando una soluzione di incisione, come un acido. Una volta attaccato al nuovo substrato, lo strato polimerico protettivo viene quindi sciolto con un solvente. Questo processo è costoso , richiede molto tempo e può causare difetti sulla superficie del grafene o lasciare tracce del polimero."
Il professor Ago e i suoi colleghi miravano quindi a fornire un modo alternativo di trasferire il grafene. Hanno utilizzato l'intelligenza artificiale per sviluppare un nastro polimerico specializzato, soprannominato "nastro UV", che cambia la sua attrazione sul grafene quando irradiato con luce UV.
Prima dell'esposizione alla luce UV, il nastro ha una forte adesione al grafene, permettendogli di "attaccarsi". Ma dopo l’esposizione ai raggi UV, il legame atomico cambia, il che diminuisce il livello di adesione al grafene di circa il 10%. Inoltre il nastro UV diventa leggermente più rigido e più facile da staccare. Nel loro insieme, queste modifiche consentono di staccare il nastro dal substrato del dispositivo lasciando dietro di sé il grafene.
I ricercatori hanno anche sviluppato nastri in grado di trasferire altri due materiali 2D:il grafene bianco (hBN), un isolante che può fungere da strato protettivo quando si impilano materiali 2D, e i dichalcogenuri di metalli di transizione (TMD), un materiale promettente per la prossima generazione di semiconduttori. .
È importante sottolineare che, quando i ricercatori hanno osservato da vicino la superficie dei materiali 2D dopo il trasferimento, hanno visto una superficie più liscia con meno difetti rispetto a quando venivano trasferiti utilizzando l’attuale tecnica convenzionale. Dopo aver testato le proprietà dei materiali, hanno anche scoperto che erano più efficienti.
Il trasferimento tramite nastro UV offre inoltre numerosi altri vantaggi rispetto alle attuali tecniche di trasferimento. Poiché il nastro UV è flessibile e il processo di trasferimento non richiede l'uso di solventi che dissolvono la plastica, la plastica flessibile può essere utilizzata come substrato del dispositivo, ampliando le potenziali applicazioni.
"Ad esempio, abbiamo realizzato un dispositivo di plastica che utilizza il grafene come sensore terahertz. Come i raggi X, la radiazione terahertz può passare attraverso oggetti che la luce non può, ma non danneggia il corpo", afferma il professor Ago. "È molto promettente per l'imaging medico o la sicurezza aeroportuale."
Inoltre, il nastro UV può essere tagliato su misura in modo da trasferire solo la quantità esatta di materiale 2D necessario, riducendo al minimo gli sprechi e i costi. Gli strati 2D di materiali diversi possono anche essere facilmente sovrapposti uno sopra l'altro con diversi orientamenti, consentendo ai ricercatori di esplorare nuove proprietà emergenti dai materiali impilati.
Per i prossimi passi, i ricercatori mirano ad espandere le dimensioni del nastro UV fino alla scala necessaria per i produttori. Attualmente, il wafer di grafene più grande che può essere trasferito ha un diametro di 10 cm. Il Professor Ago e i suoi colleghi stanno anche cercando di risolvere il problema delle grinze e delle bolle che si formano sul nastro, causando piccoli difetti.
Il team di ricerca spera anche di migliorare la stabilità, in modo che i materiali 2D possano essere attaccati ai nastri UV per un periodo di tempo più lungo e distribuiti agli utenti finali, come altri scienziati.
"Gli utenti finali possono quindi trasferire il materiale sul substrato desiderato applicando e rimuovendo il nastro UV come un adesivo per bambini, senza necessità di formazione", afferma il professor Ago. "Un metodo così semplice potrebbe cambiare radicalmente lo stile di ricerca e accelerare lo sviluppo commerciale dei materiali 2D."
Ulteriori informazioni: Materiali bidimensionali pronti per il trasferimento utilizzando nastri a forza adesiva regolabile, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01121-3
Informazioni sul giornale: Elettronica naturale
Fornito dall'Università di Kyushu
