近年来，石墨烯单晶晶圆的可控制备已逐步实现产业化，为石墨烯在电子、光电和传感等领域的应用奠定了基础。然而，如何将石墨烯晶圆完整、可重复、高效地转移到目标衬底上，仍是制约其规模化应用的关键难题之一。
针对这一难题，北京大学刘忠范院士、林立研究员团队与剑桥大学毛博阳研究员在《Nature Chemical Engineering》期刊上发表最新研究成果，成功研制出一套石墨烯单晶晶圆的自动化转移系统。该系统实现了石墨烯从铜生长衬底到硅衬底的全自动、高通量、可重复的转移流程，转移至硅衬底的石墨烯载流子迁移率超过 14,000 cm²/V·s，日均转移产能高达180片晶圆。该自动化转移系统在保证石墨烯性能的同时，大幅提升了转移效率，降低了手工操作带来的不确定性，为石墨烯晶圆的产业化应用奠定了基础。 传统的石墨烯转移工艺普遍依赖聚合物支撑层和溶液相的物理化学过程，易产生石墨烯表面污染、水氧掺杂等问题。为了确保石墨烯在转移过程中保持本征性质，研究团队使用金属铝作为转移介质，铝与石墨烯较高的结合力可以辅助石墨烯从生长衬底的直接剥离。随后，通过对铝层进行氧化处理，形成氧化铝薄膜，有效降低转移介质与石墨烯的粘附力；结合低温处理使氧化铝层因应力累积发生断裂，促使石墨烯与目标硅衬底实现充分接触，增强两者之间的粘附力。最终，通过调控界面力，成功实现转移介质从石墨烯表面的直接剥离去除。 基于该转移工艺，研究团队设计并搭建了自动转移装置，包括自动匀胶机和自动贴合与剥离装置，能够精确控制剥离过程中的薄膜张力，实现了晶圆级石墨烯的无损、批量化、自动化转移，日均转移产能高达180片晶圆。
经表征，4英寸石墨烯晶圆的转移完整度高达99%，平均载流子迁移率为14,125 cm²/V·s。同时，在同一批次的多片晶圆中也实现了转移效果的一致性，充分验证了该自动化转移工艺的的优异重复性与稳定性。在能耗、成本和环保等方面，生命周期评估结果表明，与传统转移方法相比，自动化转移工艺在多个环境影响指标上均表现出显著优势，具有更低的环境负担和成本，提供了一种更加可持续的二维材料转移方案。
在该研究工作中，北京大学刘忠范院士、林立研究员、剑桥大学毛博阳研究员为论文共同通讯作者；北京大学张艳锋教授、谢芹工程师，北京石墨烯研究院贾开诚研究员、胡兆宁研究员等为重要合作者。
该工作得到国家自然科学基金、国家重大科学研究计划、科技部重点研发计划、北京分子科学国家研究中心等机构和项目资助，并得到了北京石墨烯研究院、北京大学化学与分子工程学院的分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台、北京大学材料加工与测试中心的支持。
图1 石墨烯等二维材料的规模化生产、转移及商业应用示意图 图2 剥离过程中的断裂力学及转移介质设计 图3 自主研发的石墨烯晶圆自动转移系统 图4 转移石墨烯晶圆的完整度、洁净度和电学性质 原文链接： https://doi.org/10.1038/s44286-025-00227-5
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