随着可穿戴设备、软体机器人等领域的快速发展，兼具柔韧性与高性能的柔性电子器件的需求愈发迫切。以二硫化钼（MoS₂）为代表的二维半导体材料，凭借原子级的厚度与优异的电学性能，成为了柔性电子的理想候选材料，但长期以来，这类材料的规模化洁净转移一直是行业难题 —— 传统湿法转移依赖聚合物与溶剂，极易在材料表面留下残留，破坏其本征性能。
近日，西湖大学工学院孔玮研究员与朱博文博士团队带来了突破性进展：他们研发了一种基于高 κ 介电氧化铝（Al₂O₃）中间层的晶圆级干法转移技术，彻底摆脱了聚合物与溶剂的限制，成功将 4 英寸单晶 MoS₂薄膜无损集成到柔性 PET 衬底上，相关成果发表于国际顶级期刊《Nature Electronics》。
该研究核心为氧化铝辅助晶圆级干法转移工艺，团队依托多款精密实验设备，完成了单晶MoS₂薄膜的无损制备与柔性转移，全程无聚合物、溶剂接触：
1. 基础材料生长：利用化学气相沉积（CVD）设备，在蓝宝石衬底制备4英寸单层单晶MoS₂薄膜。
2. 界面改性处理：借助电子束蒸发镀膜仪沉积超薄Al₂O₃过渡层，优化界面结合效果。
3. 器件结构预制：通过原子层沉积（ALD）设备制备高κ介电栅介质层，并利用光刻系统预制栅极阵列结构。
4. 晶圆无损剥离：完成结构键合与衬底剥离，规避材料污染，工艺转移良率可达99.963%。
氧化物干转移工艺示意图
工艺完成后，团队通过多类表征设备验证薄膜质量与结构完整性：
• 光学显微镜证实薄膜表面洁净均匀，无传统工艺宏观缺陷；
• 低能电子衍射仪（LEED）验证样品完整保留单晶结构；
• X射线光电子能谱仪（XPS）检测无碳残留，保全材料本征性能；
• 截面透射电子显微镜（TEM）核验界面结构完整，搭配拉曼光谱仪、光致发光光谱仪（PL）、电容测试系统，证实材料光电性能稳定、介质层质量优异。
基于这套高质量的转移薄膜，团队制备了包含 432×432 个单元的柔性场效应晶体管（FET）阵列，通过半导体参数分析仪的系统测试，这些器件展现出了远超以往柔性器件的优异性能：
最大载流子迁移率达到 117 cm² V⁻¹ s⁻¹，亚阈值摆幅低至 68.8 mV dec⁻¹，已经非常接近热离子发射的理论极限，开关比更是高达 10¹²。这些性能与刚性衬底上的器件几乎相当，比传统湿法转移制备的柔性器件提升了数个量级。
干法与传统湿法转移器件核心性能对比
在此基础上，团队进一步制备了柔性反相器阵列，测试结果显示，这种反相器在亚阈值区工作时，峰值增益可达 218，而功耗仅为 1.4 pW μm⁻¹，达到了皮瓦级的超低功耗，即使在 5mm 弯曲半径的机械应变下，器件也能稳定工作，展现出了出色的机械稳定性。
最后，团队将 10×10 的有源矩阵触觉传感阵列，集成到了软体机器人的夹爪表面。这套传感阵列的每个像素都由 MoS₂晶体管与压阻传感器串联组成，可以检测低至 200Pa 的压力变化。
触觉传感阵列压力响应特性
这套系统可以实时感知接触的压力分布，最终实现了实时的触觉映射，还能精准识别物体的形状、位置与大小，为软体机器人的环境感知能力升级提供了全新的可行方案。
这项研究为二维半导体的规模化柔性集成提供了全新的路径，有望推动高性能柔性电子在可穿戴设备、智能机器人等领域的落地应用。
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