研究内容
澳大利亚国立大学 Manuka Suriyage, Ruo-Si Chen & Yuerui Lu教授团队发表了以下见解：
二维材料因其超薄、高性能的特性，在下一代电子器件领域中展现出巨大潜力。石墨烯、过渡金属硫族化物(如MoS₂)等材料的出现，为构建更小、更快、更智能的电子器件提供了基础。然而，要真正将这些材料应用于大规模集成电路中，制造工艺的突破是关键的一步。
传统的图案化技术，如光刻，虽然成熟，但也存在致命问题——其使用的光刻胶和显影剂会在材料表面留下化学残留物，严重破坏层与层之间的界面质量。而高质量的二维异质结构对界面的洁净程度要求极高，任何微小的污染都会影响其电子性能。因此，如何在不损伤材料本征特性的前提下，进行高精度、大面积图案化，成为研究热点。
最近，来自延世大学、成均馆大学、布拉格化学技术大学以及西江大学的科研团队提出了一种全新的二维材料图案化方法——无需光刻剂的正交多重图案化(prompt)技术，并将相关成果发表在《自然电子》上。这项技术不仅实现了二维材料的晶圆级图案化，还在保留材料性能、提升界面质量方面取得了重大进展。
图 1 | 利用prompt技术构建二维范德华异质结构
a，二维范德华异质结构的示意图(左)，由金属性石墨烯、半导体型MoS₂和绝缘性HfO₂组成;以及相邻二维纳米片之间通过与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)表面活性剂发生C–H插入反应实现光交联过程的示意图(右)。
b，完全由光图案化二维材料构成的场效应晶体管(FET)阵列和逻辑门器件的实物照片，制备于一片2英寸硅晶圆上。
c，通过直接光图案化工艺制备的二维范德华图案的光学显微镜图像。
图案化工艺的“无污染革命”
prompt 技术的核心在于一种紫外诱导交联机制。研究人员使用了一种含有双苯基叠氮基团的交联分子。当这种分子受到紫外光照射时，会生成高活性的中间体，能够与二维材料表面残留的聚合物链发生共价反应，形成稳定的交联网络。
通过将二维材料进行旋涂处理，再通过掩膜进行紫外曝光，未被照射的区域在超声清洗下被去除，从而实现无需任何光刻胶或显影剂的图案化过程。这一过程不仅大幅减少了化学残留物，还避免了对下层材料的干扰，使得多层结构的逐层构建成为可能。
简言之，prompt 技术就像是为二维材料“量身定制”的无污染图案化方案。
从导体到绝缘体：全二维结构的集成突破
为了验证这一技术的通用性，研究人员选择了导电的石墨烯、半导体型的MoS₂以及绝缘材料HfO₂三种功能不同的二维材料，构建了垂直堆叠的异质结构。其中，HfO₂的实现是通过对HfS₂片层进行氧化处理得到的。
整个构建过程包括了旋涂二维纳米片、紫外曝光、超声处理等步骤，层层堆叠、精确对位。值得注意的是，每一层图案化后都不会影响其下方的结构，真正做到了“正交无扰”的精密构筑。
更令人惊喜的是，通过X射线光电子能谱和开尔文探针力显微镜等手段检测发现，交联过程对材料的表面形貌、电学性能几乎没有负面影响。MoS₂薄膜表现出优异的电子迁移率，石墨烯层展现出低接触电阻和高导电性，而交联后的HfO₂层则拥有高击穿电压和稳定的电容值，性能媲美最先进的溶液处理型绝缘材料。
可量产的二维逻辑器件
利用prompt技术，研究人员在2英寸硅晶圆上制备出了全二维材料构成的场效应晶体管(FET)阵列，以及由其构成的基本逻辑门电路(包括非门、与非门和或非门)。这些器件不仅具有20.3 cm²/V·s 的高迁移率、开关比高达10⁶，同时还具备低迟滞和低温加工等优点，显示出良好的工艺兼容性和工业应用前景。
值得一提的是，该方法所实现的二维图案尺寸可以小至5微米，精度足以满足高集成度电子器件的需求。
挑战与展望：工业化还有多远?
虽然prompt技术已经在实验室层面展现出巨大潜力，但距离工业化仍有一定距离。首先，目前二维纳米片的层厚在横向分布上还存在一定不均匀性，尤其是在边缘区域，容易产生堆叠或空隙，可能会影响器件的一致性和性能稳定性。
其次，该技术采用的旋涂法虽然简便，但在层间对位精度、界面稳定性方面仍有提升空间。特别是对于层间相互作用较弱的材料，旋涂过程中容易出现层间滑移，导致结构错位。因此，未来有必要开发更具稳定性的涂膜或沉积技术，以进一步拓展prompt的材料兼容性和可控性。
此外，设计更高性能的交联分子，也将成为提升图案质量和功能性的关键路径。
结语
prompt 技术代表了一种颠覆性的二维材料图案化方式，以其无光刻胶、无残留、高精度、低温加工等诸多优势，为实现真正意义上的二维电子器件大规模制备奠定了基础。随着工艺的不断优化和材料体系的扩展，我们有理由相信，二维材料将在未来信息技术、柔性电子和人工智能硬件等领域发挥更加重要的作用。
二维材料制造，正在从“精致实验室”走向“洁净产线”。
