研究背景

随着制造技术的不断发展，从手工制造到精密机械制造，再到原子尺度制造，制造业进入了不同的阶段。在这个演变过程中，原子和接近原子尺度制造（ACSM）作为一种基础技术，吸引了广泛的关注。这种技术允许在原子尺度上进行材料的添加、去除和转化，具有极高的精度和控制能力。在诸多材料中，二维材料因其原子级别的特性和独特的物理性质而备受关注。然而，二维材料的制造和应用仍然面临着挑战。传统的制造方法，如化学气相沉积（CVD）和光刻技术，虽然能够合成高质量的二维材料，但在图案化和集成方面存在限制和问题，如可扩展性差、工艺复杂、引入杂质等。

成果简介

为此，柏林大学学院机械与材料工程学院Nan Zhang教授团队在npj-2D Materials and Applications期刊发题为“Advance in additive manufacturing of 2D materials at the atomic and close-to-atomic scale”的研究成果。这项研究旨在开发新的制造技术，使二维材料的制造过程更加高效、简化和可控。通过这些新方法，科学家们希望能够实现在原子尺度上控制二维材料的合成位置和厚度，从而实现对材料性质和功能的精确调控。

图文导读

本研究解决了二维材料制造中的关键问题，即如何实现高质量、可控制的原子尺度增材制造。通过对几种潜在的原子尺度增材制造方法进行系统分析，本研究提供了一种新的途径来克服传统制造方法的局限性，并探索了这些方法在电子学、生物传感器和纳米电机系统等领域的潜在应用。相关成果如下：

图1. 二维材料的原子尺度增材制造和应用

图2. 用于定位选择性CVD的种子方法的二维材料

图3. 用于定位选择性CVD的二维材料的预图案化基底

图4. 面积选择性ALD的二维材料

图5. 面积选择性电沉积的二维材料

图6. 二维材料的激光辅助方法

图7. 二维材料的印刷方法

图8. 用于二维材料的对齐堆叠

图9. 二维材料电子学和生物传感器

图10. 基于二维材料的纳米电机系统

结论与展望

通过对原子尺度二维材料增材制造的系统研究，本综述深入探讨了各种方法的优缺点以及其在制造领域的潜在应用。首先，原子尺度增材制造技术的发展为二维材料制备和加工带来了重大突破，为实现原子级设备提供了关键支持。其精确的原子层控制确保了材料厚度和组成的一致性，从而在电子学、生物传感器和纳米电机系统等领域展现了巨大潜力。然而，尽管取得了显著进展，但仍然存在一些挑战需要解决。其中，实现更高精度的选择性合成和控制厚度的技术，以及建立稳定可靠的大规模制造过程是最为关键的。 此外，针对不同增材制造方法的特定挑战也需要克服，例如电沉积方法、激光方法和印刷方法的一致性问题，以及CVD和ALD等方法的尺寸分辨率限制。面对这些挑战，未来的研究应重点解决提高精度、改善一致性和建立可靠过程等关键问题。随着这些问题的解决，原子尺度二维材料增材制造将为制造技术的进步和二维材料应用的拓展带来更多机遇。

文献信息

Chen, Y., Fang, F. & Zhang, N. Advance in additive manufacturing of 2D materials at the atomic and close-to-atomic scale. npj 2D Mater. Appl., 2024. 10.1038/s41699-024-00456-x。