自动化机器人：让范德华异质结的生产速度大幅提升！

背景

近年来，石墨烯、六方氮化硼、黑磷、过渡族金属化合物（二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨）等二维材料，已经成为热门前沿科技领域之一。简单说，二维材料一般由一层或几层原子组成。它不但十分轻薄，而且具有优异的电气、机械、热学、光学等特性。

六方氮化硼结构示意图

（图片来源：维基百科）

石墨烯结构示意图

（图片来源：TatianaShepeleva/Shutterstock）

所以，二维材料的应用领域十分广阔，例如：自旋电子、印刷电子、柔性电子、微电子、存储器、处理器、超透镜、太赫兹、超级电容、太阳能电池、防伪标签、量子点、传感器、半导体制造、NFC、医疗等等。

二维材料的每个片层都含有一个共价结合，且不存在悬挂键的晶格，每个片层都能通过范德华力与相邻片层形成弱相互作用。因此，不同的二维材料可以如同积木般堆叠在一起，进行优势互补，实现独特的新功能。把不同的二维材料通过弱范德华作用力（存在于中性分子或原子之间的弱相互作用）堆叠在一起，就形成了所谓的范德华异质结（vanderWaalsheterostructures）。

时下，范德华异质结是纳米技术方面引起科学家们浓厚兴趣的新兴领域之一。将具有不同特性（例如电学和光学等）的二维材料堆叠在一起后，科学家们能对组合而成的新材料特性实现人工调控。此外，由于层间弱的范德华作用力，相邻的层间不再受晶格必须相匹配的限制。对于不同金属、半导体和绝缘体层状异质结构的新特性的研究，促进了对光探测器、光伏器件、LED等电子器件设计的革新，让这些器件具有许多前所未有的独特功能。

范德华异质结的开发，一直受到复杂且耗时的手工制造工艺的限制。也就是说，二维晶体通常都从大块材料上剥落而来，然后由研究人员进行手工的辨认、采集，然后再堆叠到一起形成范德华异质结。很显然，这种人工处理方法无法适应含有范德华异质结的电子器件的工业生产需求。

创新

近日，日本东京大学生产技术研究所的科研团队解决了这一问题。他们开发出一种自动化机器人，大幅提升了二维晶体的采集以及组装成范德华异质结的速度。研究成果发表于《自然通信（NatureCommunications）》杂志。

（图片来源：SATORUMASUBUCHI/东京大学生产技术研究所）

技术

机器人由自动化的高速光学显微镜组成，这种显微镜可以用于检测晶体。然后，晶体的位置和参数会被记录在电脑数据库中。采用数据库中的信息及定制化的软件，就可以设计出异质结。然后，再通过计算机算法指导的自动化设备一层一层地组装异质结。

论文第一作者SatoruMasubuchi表示：机器人能在手套箱中发现、采集并组装二维晶体。它一小时可以检测400个石墨烯薄片，这比人工操作所达到的速率快很多。

当机器人将石墨烯薄片组装成范德华异质结的时候，它每小时可以堆叠四层，每层只需要几分钟的人工输入。机器人用于生产由29个交替的石墨烯层与六方氮化硼层（另外一种普通二维材料）组成的范德华异质结。

下图是由石墨烯与六方氮化硼交替组成的范德华异质结

（图片来源：SATORUMASUBUCHI/东京大学生产技术研究所）

人工操作的范德华异质结的层数记录是13，而机器人极大提升了我们获得复杂的范德华异质结的能力。

价值

论文合著者之一TomokiMachida表示：我们的机器人可以采集和组装一系列的材料。这个系统有望充分探索范德华异质结。

开发这种机器人，极大促进了范德华异质结的生产以及它们在电子器件中的使用，也让我们离实现具有原子级人造材料的器件又更近了一步。

关键字

二维材料、石墨烯、机器人、算法