自動化機器人：讓范德華異質結的生產速度大幅提升！
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、防偽標籤、量子點、感測器、半導體製造、NFC、醫療等等。
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，進行優勢互補，實現獨特的新功能。把不同的二維材料通過弱范德華作用力（存在於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「范德華異質結」（van der Waals heterostructures）。
時下，范德華異質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後，科學家們能對組合而成的「新」材料特性實現人工調控。此外，由於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。
對於不同金屬、半導體和絕緣體層狀異質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。
范德華異質結的開發，一直受到複雜且耗時的手工製造工藝的限制。也就是說，二維晶體通常都從大塊材料上剝落而來，然後由研究人員進行手工的辨認、採集，然後再堆疊到一起形成范德華異質結。很顯然，這種人工處理方法無法適應含有范德華異質結的電子器件的工業生產需求。
創新
近日，日本東京大學生產技術研究所的科研團隊解決了這一問題。他們開發出一種自動化機器人，大幅提升了二維晶體的採集以及組裝成范德華異質結的速度。研究成果發表於《自然通信（Nature Communications）》雜誌。
（圖片來源：SATORU MASUBUCHI / 東京大學生產技術研究所）
技術
機器人由自動化的高速光學顯微鏡組成，這種顯微鏡可以用於檢測晶體。然後，晶體的位置和參數會被記錄在電腦資料庫中。採用資料庫中的信息及定製化的軟體，就可以設計出異質結。然後，再通過計算機演算法指導的自動化設備一層一層地組裝異質結。
論文第一作者 Satoru Masubuchi 表示：「機器人能在手套箱中發現、採集並組裝二維晶體。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。機器人用於生產由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）組成的范德華異質結。
下圖是由石墨烯與六方氮化硼交替組成的范德華異質結
（圖片來源：SATORU MASUBUCHI / 東京大學生產技術研究所）
人工操作的范德華異質結的層數記錄是13，而機器人極大提升了我們獲得複雜的范德華異質結的能力。
價值
論文合著者之一 Tomoki Machida 表示：「我們的機器人可以採集和組裝一系列的材料。這個系統有望充分探索范德華異質結。」
開發這種機器人，極大促進了范德華異質結的生產以及它們在電子器件中的使用，也讓我們離實現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、演算法
參考資料
【1】https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/en/news/2890/
【2】Satoru Masubuchi, Masataka Morimoto, Sei Morikawa, Momoko Onodera, Yuta Asakawa, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi and Tomoki Machida, "Autonomous robotic searching and assembly of two-dimensional crystals to build van der Waals superlattices", Nature Communications; DOI：10.1038/s41467-018-03723-w
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