二維材料製造新方法：非破壞性的質量控制

導讀

最近，英國國家物理實驗室（NPL）研發出世界上首個非破壞性質量控制方法，使得牛津儀器公司（Oxford Instruments）能夠推進二維材料MoS2的晶圓級製造技術的商業化。

關鍵字

二維材料、電子、半導體

背景

對於智能手機、可穿戴設備和物聯網設備等來說，小型化的需求日益增長。然而，傳統的硅材料正面臨尺寸極限。這一點，筆者曾在《摩爾定律，是生存還是毀滅？》一文中有過介紹。有鑒於此，科學家們正在尋找傳統硅材料的新的替代品。由於獨特的電氣和機械特性，二維材料這些年來引起了科學界和產業界的廣泛重視。其中最具代表性莫過於石墨烯了，它得到了廣泛的研究和應用，筆者以往的文章有過多次介紹，這裡就不一一列舉了。

二維材料，一般是指一般由一層或者幾層原子組成，電子僅可在兩個維度上自由運動（平面運動）的材料，例如石墨烯、氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等等。正如筆者曾在《新型柔性微處理器：由超薄二維材料二硫化鉬製成！》一文中所介紹，單層的二硫化鉬 (MoS2)是一種非常出色的二維材料，其獨特的電子和光學特性為下一代電子和光電設備的發展鋪平了道路。

（圖片來源於: Hermann Detz/維也納技術大學 )

為了推進二維材料組成的電子設備的商業化，行業會面臨一些列的挑戰，例如：進行質量控制檢查的同時，不會毀壞或者損傷材料。對於單層二維材料來說，它們只有一層原子或者分子的厚度。目前為止，評估它們的質量只能使用破壞性的技術。這種二維材料中的缺陷，會影響基於MoS2 的電子設備的性能。

所以，研究和量化缺陷的數量，而又不引發損害的能力，對於材料的大規模生產、設備製造和材料功能化來說都很重要。

創新

最近，英國國家物理實驗室（NPL）研發出世界上首個非破壞性質量控制方法，使得牛津儀器公司（Oxford Instruments）能夠商業化二維材料 (MoS2)的晶圓級製造技術。

牛津儀器公司，是工業和研究相關的高技術系統和工具的提供商。這家公司旨在開發新型沉積系統和工藝，以更加工業化可擴展的方式幫助MoS2 進一步商業化。研究人員團隊正需要一種合適的質量控制方法，並且從國家石墨烯計量中心（NGMC）的研究中尋求幫助，該中心是在NPL進行二維材料特性描述和高級測量的全球領導者。

技術

NPL 之前關於MoS2 的研究為牛津儀器公司提供了技術，幫助他們開發他們自己的質量控制工藝。

NPL 高級研究科學家 Andrew Pollard 博士稱：

「我們正在調查使用拉曼光譜學來描述MoS2，並且發現具有可行性的高通量和非破壞性技術，用於量化這種令人興奮的二維材料中的缺陷。這項研究的重要之處在於，作為第一步，我們能夠使用我們之前研究石墨烯的工作成果，可控地將缺陷引入到MoS2 。」

因此，牛津儀器的高級科學家 Ravi Sundaram 稱：

「我們能夠採用NPL的工業重點研究作為框架，開發我們自己的新型質量控制測量。這種測量採用拉曼光譜學，來量化採用化學蒸汽沉積技術生產 MoS2 過程中的缺陷。這些技術廣泛應用於石墨烯，但是在NPL的研究發布之前，並沒有現成的方法，以非破壞性的方式檢測MoS2 的質量。材料的質量的檢測能力讓我們可以優化生長工藝。這樣保證了我們能夠利用工具，提供非常高質量，低缺陷密度的MoS2 的薄膜。」

價值

這種質量控制工藝可以通過工業化擴展的技術，描述二維MoS2 分層，幫助他們加速二維材料的商業化。Ravi 說：

「我們的學術和工業用戶正在尋找方法，高效地生產和描述這些新材料。MoS2 是一種理想的電子材料，且一些公司對它感興趣。高效的生產對於這種材料的商用可行性和吸引力來說都很重要。這項技術幫助我們為客戶提供高質量和具有競爭力的產品。」

未來對於電子和光電設備來說，MoS2 都是讓人感到有希望的。它固有的薄膜原子結構具有一些優勢，不僅能夠縮小傳統電子設備的尺寸，而且也為在感測器等晶元上增加功能元件開拓了可能性。另外，它的半導體結構對於光學應用例如光伏和發光設備也很有幫助。

（圖片來源於：NPL）

所以，採用非破壞性的方法，擴大MoS2 的產量和評估它的質量，不僅對於製造商，而且對於整個行業都有巨大的益處。

參考資料

【1】Sandro Mignuzzi et al. Effect of disorder on Raman scattering of single-layerMoS2, Physical Review B (2015). DOI: 10.1103/PhysRevB.91.195411

【2】Elisha Mercado et al. A Raman metrology approach to quality control of 2D MoS2 film fabrication, Journal of Physics D: Applied Physics (2017). DOI: 10.1088/1361-6463/aa6786

【3】http://www.npl.co.uk/news/new-production-method-for-2d-materials-could-lead-to-smarter-devices

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