2月17日一种组装复杂范德华固体的机器人方法

二维范德华晶体是一类表现出强平面内共价键和弱层间相互作用的材料，由于其过多的独特的电学、光学和机械性能，最近成为众多研究的焦点。奇怪的是，当组装不同范德华晶体的混合垂直堆叠时，它获得了任何组成层都没有的新特性。

最近，芝加哥大学、康奈尔大学和密歇根大学的研究人员一直在探索一种新的机器人技术来组装复杂的范德华结构，以便更有效地研究它们的混合特性。在Nature Nanotechnology上新发表的一篇论文中，该团队介绍了一种用于 4D 组装范德华固体的机器人自动化方法，该方法建立在他们之前工作中引入的晶圆级 2D 材料合成和真空下材料清洁堆叠技术的基础上。

“虽然我们过去开发的技术允许我们堆叠约一平方厘米的 2D 材料层，但很难创建具有微米分辨率的复杂平面内设计的结构，”该研究的主要作者之一 Andrew Ye研究，告诉 Phys.org。“最终，我们想要一种技术，使我们能够在制造微米级几何复杂结构的背景下利用晶圆级材料和真空堆叠的清洁度。我们的新方法使我们能够做到这一点。”

目前，许多由二维材料组成的异质结构都是使用剥落的二维薄片构建的。然而，这些薄片可能具有非常随机的形状，因此所得组装结构的几何形状可能看起来有些“杂乱无章”。

“与这些技术相反，我们新开发的方法使我们能够制造具有精心设计几何形状的结构，”叶解释道。“这是因为我们从材料晶片开始，然后将其清晰地图案化成离散的'像素'化单元阵列。这些像素成为组装复杂结构的构建块。”

为了组装范德华结构，Ye 和他的同事使用了他们定制的仪器，该仪器由一个带有(X、Y、Z 和θ)致动器的高真空室组成，该致动器装有精心设计的聚合物印模。真空室确保其内部的材料在制造过程中保持原始状态。

渲染由像素构建块组装复杂晶体结构的机器人工厂。图片来源：Andrew Ye 提供的渲染。

四轴致动器使仪器能够以高精度控制聚合物印模的运动。最后，聚合物印模可用于有条不紊地从芯片中拾取材料像素，然后轻轻地将它们放置到另一个芯片上。

“因为我们的过程是高度自动化的，我们可以在没有操作员控制的情况下运行我们的机器，并以每小时大约 30 层的速度组装结构，”Ye 解释说。“这比以前可以做的要快一个数量级。”

最近的论文介绍了一种新的、有价值的范例，可用于制造复杂的范德华异质结构，从晶圆级合成材料开始。这种有利的新方法可以帮助推进基于二维材料的异质结构组装，超越现有的小规模实验室技术。

“在学术研究的背景下，我们表明这项技术可用于快速研究单个结构内不同材料的排列(例如用于探索新的光学或电学现象)，并研究多层θ -twisted single-晶体二维材料，这在凝聚态物理学界很感兴趣，”叶说。

未来，这组研究人员引入的组装方法可用于大规模制造基于二维材料的电子产品。虽然现有的基于实验室的技术通常只能用于可靠地制造几微米大小的异质结构，但叶和他的同事提出的方法可以大规模制造 100 微米大小的复杂范德华固体.

“我们现在正计划进一步开发在机器人堆叠过程中使用电极，”叶补充道。“此外，我们希望深入研究 多层θ扭曲单晶二维​​材料中的许多有趣的物理特性。”

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