北京大学刘忠范院士团队，最新Nature大子刊！

摘要：二维材料因其独特的性能，被广泛应用于光电、半导体和量子科技等前沿领域。尽管化学气相沉积（CVD）已成为大规模制备高质量二维材料的主流方法，但将材料从金属基底高效、无损地转移到硅片等目标基底，仍是产业化的核心难题。传统手工转移不仅效率低、易出缺陷，还涉及污染性

机器人技术自动加工和传输二维材料

二维材料因其独特的性能，被广泛应用于光电、半导体和量子科技等前沿领域。尽管化学气相沉积（CVD）已成为大规模制备高质量二维材料的主流方法，但将材料从金属基底高效、无损地转移到硅片等目标基底，仍是产业化的核心难题。传统手工转移不仅效率低、易出缺陷，还涉及污染性化学品，成本高且不环保（图1）。为解决这一瓶颈，研究人员正探索通过自动化设备精准控制转移过程中的界面力，提升效率和良率，实现二维材料在工业生产中的可靠应用。

在这里，北京大学刘忠范院士、林立研究员联合剑桥大学毛博洋教授共同开发了一套自动化系统，通过调控界面黏附力和应力，实现了CVD生长的二维材料由机器人完成高效转移。该系统具有良好的工业适配性，每天可转移多达180片晶圆，转移质量可靠，石墨烯的迁移率超过14,000cm²/V·s，且材料的一致性和重复性表现优异。在成本控制和环境影响方面，这一系统也优于传统的人工转移方法。未来，这项自动化技术有望加速二维材料的科研应用与商业化进程。相关成果以“Automated processing and transfer of two-dimensional materiAls with robotics”为题发表在《Nature Chemical Engineering》上，并被重点报道，第一作者为赵一萱。

图 1：2D 材料的工业生产、转移和商业应用示意图

分层和层压策略

本研究提出了一种新型、可控的二维材料转移方法，利用金属铝（Al）作为中间粘附层，通过调控其内部应力和界面黏附力，实现从铜或蓝宝石等生长基底上高质量剥离石墨烯等二维材料（图2a–g）。具体方法包括：先在石墨烯表面沉积一层20 nm厚的Al，再依次涂覆PMMA和热释放胶带（TRT），在氧化和冷冻处理后，Al层发生裂纹并有效释放内应力，使Al/Al₂O₃层能完整脱离，同时石墨烯牢固转移到目标基底上。实验证明，Al氧化显著提升了内应力，从而减少外力需求，避免传统手动转移中常见的裂纹和残留（图2h–j）。此外，Al层的厚度对转移效果有关键影响，20 nm厚的Al在两轮剥离中都能实现无裂纹转移，而太薄或太厚的Al层则会导致内应力不足或难以完全剥离。该方法为二维材料的大规模、高质量、无损转移提供了全新思路，具有良好的工业应用前景。

图 2：分层过程中的断裂力学和用于无溶液转移的支撑 Al 薄膜的工程设计

机器人技术实现 2D 材料的自动传输

作者借助机器人和人工智能技术，开发出一套全自动二维材料转移系统，实现了石墨烯等纳米材料在生产过程中的高一致性与高效率（图3a–l）。系统以Al/Al₂O₃作为中间粘附层，通过自动化溅射和热蒸发完成铝的沉积，机器人则负责晶圆的搬运和定位。后续的PMMA旋涂、胶带贴合、分离、热处理、冷却等步骤也均由设备自动完成，确保每一步操作精准可控（图3b–c）。其中，关键参数如胶带张力、压力和速度通过“舞动辊”系统动态调节，确保每次贴合和剥离的一致性，避免裂纹产生（图3d–l）。这一自动化流程显著提升了二维材料大面积转移的稳定性与可重复性，为产业化铺平了道路。

图 3：带有内部机器人的自动传输过程系统

转移的 2D 材料的可靠性和可重复性

作者自主搭建的自动化转移系统，已实现石墨烯晶圆的高效稳定转移，每日可处理180片，确保膜层完整、表面洁净、掺杂可控（图4a–c）。转移后的石墨烯保持99%以上完好率，无裂纹、无残留，表面粗糙度低至0.24±0.03 nm（图4e），电子性能优异，空穴和电子迁移率分别达14,137和14,683 cm²/V·s，且在整个晶圆上分布均匀（图4d、4f）。这一无溶液、自动化工艺有效避免了传统手工蚀刻带来的污染与性能下降。系统还成功扩展应用至hBN、MoS₂等多种二维材料，并在此基础上实现了大面积范德华异质结构的构建，如hBN/石墨烯和MoS₂/石墨烯，后者展现出良好的界面质量与光电特性（图4m–p）。这一成果为二维材料的大规模高质量集成与器件应用提供了坚实基础。

图 4：转移的 2D 材料的可靠性和可重复性

自动传输对环境和经济的影响

作者通过生命周期评估（LCA）系统比较了自动化转移与传统金属辅助转移方法的环境影响，评估对象为4英寸石墨烯晶圆转移至硅基底的全过程（图5a）。结果显示，传统方法中的PMMA去除和铝蚀刻步骤对环境负担最大，主要由于需大量使用有机溶剂和酸性蚀刻液，既产生废弃物又影响材料质量（图5b）。相比之下，自动化转移流程无需使用化学试剂，在所有环境指标中均表现出更低影响（图5c、5d），是一种更环保、可持续的转移方式。成本评估也表明，自动化方案因减少人工操作，具备最低的产品售价，且价格最受人工成本影响。综合来看，该自动化系统在环保性与经济性方面均优于传统方法。

图 5：石墨烯转移过程的 LCA

小结

总结来看，本文开发的自动化机器人系统实现了二维材料及其异质结构的无裂纹、无污染转移。通过引入超薄铝层及其氧化处理，有效解决了传统转移中常见的界面黏附力和应力控制难题，提升了转移过程的可控性和稳定性。该技术不仅具备批量生产能力，且转移质量高、均匀性好、重复性强，已具备商业化潜力。LCA结果表明，该自动化工艺在环境影响方面优于传统方法，是更可持续的生产路径。这一突破为二维材料在先进电子与光子器件中的规模应用打下了坚实基础，并具备推广至其他材料系统的潜力。