仅需1分钟即可完成纳米片材料制膜的新技术

      4月6日，日本名古屋大学发表了一项名为“高速薄膜制作法”的新技术，短短1分钟即可在基板上无缝排列氧化物、石墨烯、氮化硼等二维材料（纳米片）制成薄膜。而原本要生成如此薄膜需要1小时。

      该成果由名古屋大学未来材料和系统研究所的长田实教授及其研究团队发表，详情可参考美国化学学会出版的材料与界面工艺学术杂志《ACS Applied Materials & Interfaces》。（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c02250?cookieSet=1）

此次研究成果图(出自:名古屋大学新闻公告PDF)

      所谓纳米片（nano-sheets），是指石墨烯、六方氮化硼、过渡金属卤化物、二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)等，具有1至数个原子层的超薄片状材料。不同于以往材料（尺寸在μm以上的结晶），它们具有高电子和离子迁移率，高介电性能，透明性，高耐热性等优异特性。

      要想做出能够最大发挥其优异特性的元器件，重点在于将纳米片稠密地排列在各类基板上并制成薄膜。此前的薄膜制作主要是使用“Langmuir-Blodgett法”（即LB膜），但该方法需要熟练的操作和复杂的条件，再加上制成1层膜就需要1小时之久，这就成了纳米片应用的一大瓶颈。于是，为了解决这些问题并不断推进纳米片的元器件开发和工业化，开发一种工艺能够简便且短时间内实现纳米片材料的高品质稠密排列成膜就成了迫切需求。

      此次研究的始末，是在探讨新制膜技术时，通过使用自动移液器，在基板上滴下一滴氧化物、石墨烯、氮化硼等纳米材料的胶状水溶液后将其吸取，尝试在短时间内实现了纳米材料间无缝隙稠密地自动排列。然后，经过了1分钟极短的时间成功地完成了稠密排列的单层成膜。

二维纳米片的高速、液相制膜。（a）自动制膜设备的整体照。（b）自动制膜设备的制膜情景。（c）氧化钛纳米片的制膜结果。（c左）1英寸Si基板上制成的纳米片单层膜的光学照片。（c右）原子力显微镜下的膜质。可以看出纳米片材料紧密地排列着。（出自：名古屋大学新闻公告PDF）

      接下来经过对该自动制膜的最佳条件、制膜机制之后得出结论，即使用添加1%～2%乙醇的稀释胶体溶液（浓度：0.02~0.05%/L）效果最佳，通过降低胶体溶液的表面张力，促进纳米片材料的对流，可以抑制纳米片之间叠压和缝隙的产生，实现高效的排列控制。进一步地重复单层制膜的操作，还可以形成以纳米片厚度为单位的可控的多层膜结构。

      研究团队表示，此次的新技术不仅可以应用于氧化物、石墨烯、氮化硼等多种组合结构的纳米片，还可以在各种形状、尺寸、材质的基材上成膜，是一种通用性极高的制膜技术。另外，该技术基于自动移液器进行简便的滴落和吸取操作，不需要专业的知识和技术，一下即可完成4寸晶圆大小的大型成膜、小批量按需自动成膜等。

      该技术实现了简便、短时间且只消耗少量溶液就能完成高品质紧密排列的大面积成膜，可以大大削减制造成本，将来或许会发展成重要的纳米片的工业制膜方法和纳米涂层法。