背景

近年來(lái)，石墨烯、六方氮化硼、黑磷、過(guò)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(jīng)成為熱門(mén)前沿科技領(lǐng)域之一。簡(jiǎn)單說(shuō)，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(yōu)異的電氣、機(jī)械、熱學(xué)、光學(xué)等特性。

六方氮化硼結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來(lái)源：維基百科）

石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來(lái)源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

所以，二維材料的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，例如：自旋電子、印刷電子、柔性電子、微電子、存儲(chǔ)器、處理器、超透鏡、太赫茲、超級(jí)電容、太陽(yáng)能電池、防偽標(biāo)簽、量子點(diǎn)、傳感器、半導(dǎo)體制造、NFC、醫(yī)療等等。

二維材料的每個(gè)片層都含有一個(gè)共價(jià)結(jié)合，且不存在懸掛鍵的晶格，每個(gè)片層都能通過(guò)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(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的新功能。把不同的二維材料通過(guò)弱范德華作用力（存在于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(zhì)結(jié)”（van der Waals heterostructures）。

時(shí)下，范德華異質(zhì)結(jié)是納米技術(shù)方面引起科學(xué)家們濃厚興趣的新興領(lǐng)域之一。將具有不同特性（例如電學(xué)和光學(xué)等）的二維材料堆疊在一起后，科學(xué)家們能對(duì)組合而成的“新”材料特性實(shí)現(xiàn)人工調(diào)控。此外，由于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(duì)于不同金屬、半導(dǎo)體和絕緣體層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新特性的研究，促進(jìn)了對(duì)光探測(cè)器、光伏器件、LED等電子器件設(shè)計(jì)的革新，讓這些器件具有許多前所未有的獨(dú)特功能。

范德華異質(zhì)結(jié)的開(kāi)發(fā)，一直受到復(fù)雜且耗時(shí)的手工制造工藝的限制。也就是說(shuō)，二維晶體通常都從大塊材料上剝落而來(lái)，然后由研究人員進(jìn)行手工的辨認(rèn)、采集，然后再堆疊到一起形成范德華異質(zhì)結(jié)。很顯然，這種人工處理方法無(wú)法適應(yīng)含有范德華異質(zhì)結(jié)的電子器件的工業(yè)生產(chǎn)需求。

創(chuàng)新

近日，日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)解決了這一問(wèn)題。他們開(kāi)發(fā)出一種自動(dòng)化機(jī)器人，大幅提升了二維晶體的采集以及組裝成范德華異質(zhì)結(jié)的速度。研究成果發(fā)表于《自然通信（Nature Communications）》雜志。

（圖片來(lái)源：SATORU MASUBUCHI / 東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所）

技術(shù)

機(jī)器人由自動(dòng)化的高速光學(xué)顯微鏡組成，這種顯微鏡可以用于檢測(cè)晶體。然后，晶體的位置和參數(shù)會(huì)被記錄在電腦數(shù)據(jù)庫(kù)中。采用數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息及定制化的軟件，就可以設(shè)計(jì)出異質(zhì)結(jié)。然后，再通過(guò)計(jì)算機(jī)算法指導(dǎo)的自動(dòng)化設(shè)備一層一層地組裝異質(zhì)結(jié)。

論文第一作者 Satoru Masubuchi 表示：“機(jī)器人能在手套箱中發(fā)現(xiàn)、采集并組裝二維晶體。它一小時(shí)可以檢測(cè)400個(gè)石墨烯薄片，這比人工操作所達(dá)到的速率快很多。”

當(dāng)機(jī)器人將石墨烯薄片組裝成范德華異質(zhì)結(jié)的時(shí)候，它每小時(shí)可以堆疊四層，每層只需要幾分鐘的人工輸入。機(jī)器人用于生產(chǎn)由29個(gè)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(zhì)結(jié)。

下圖是由石墨烯與六方氮化硼交替組成的范德華異質(zhì)結(jié)

（圖片來(lái)源：SATORU MASUBUCHI / 東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所）

人工操作的范德華異質(zhì)結(jié)的層數(shù)記錄是13，而機(jī)器人極大提升了我們獲得復(fù)雜的范德華異質(zhì)結(jié)的能力。

價(jià)值

論文合著者之一 Tomoki Machida 表示：“我們的機(jī)器人可以采集和組裝一系列的材料。這個(gè)系統(tǒng)有望充分探索范德華異質(zhì)結(jié)。”

開(kāi)發(fā)這種機(jī)器人，極大促進(jìn)了范德華異質(zhì)結(jié)的生產(chǎn)以及它們?cè)陔娮悠骷械氖褂?，也讓我們離實(shí)現(xiàn)具有原子級(jí)人造材料的器件又更近了一步。

關(guān)鍵字

二維材料、石墨烯、機(jī)器人、算法