氧化物干法转移技术让二硫化钼柔性晶体管迁移率突破117平方厘米每伏秒

在柔性电子领域，如何将高性能半导体材料无损地转移到柔性基底上，始终是横亘在实验室与产业化之间的一道难题。近日，西湖大学研究团队在国际期刊《自然·电子学》上发表研究成果，报道了一种基于高介电常数氧化铝（Al₂O₃）中间层的晶圆级干法转移策略，成功实现了4英寸单晶二硫化钼（MoS₂）薄膜向柔性基底的高质量集成，为新一代柔性电子器件的规模化制造开辟了新路径。

二硫化钼作为典型的过渡金属二硫族化合物（TMD），原子级超薄的晶体结构赋予其优异的机械柔韧性，同时保持较高的电子迁移率，是柔性电子领域备受关注的半导体候选材料。目前，通过化学气相沉积（CVD）在蓝宝石衬底上外延生长的单晶TMD薄膜，在电学性能上已相当出色。然而，将这些薄膜从刚性衬底转移到柔性基底的过程，往往是性能损失的"重灾区"。

传统湿法转移引入聚合物污染，器件性能大幅退化

传统的湿法转移工艺通常借助聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等聚合物作为支撑层，再通过溶剂浸泡去除。这一过程不可避免地在MoS₂表面残留聚合物碎片和化学溶剂，造成界面污染，导致器件迁移率下降、接触电阻升高，严重制约了材料本征性能的发挥。此前研究已证实，PMMA残留对CVD生长石墨烯及TMD材料的电学性质均有显著负面影响，这一问题在单层MoS₂上尤为突出。

针对这一痛点，该团队提出的干法转移方案另辟蹊径：在MoS₂薄膜上沉积一层高介电常数的氧化铝（Al₂O₃）介质层作为"硬质支撑"，整个转移过程无需接触任何聚合物或有机溶剂，从根源上杜绝了表面污染。氧化铝凭借其优良的热稳定性、致密的薄膜结构以及与MoS₂之间良好的界面相容性，成为理想的干法转移介质。

柔性场效应晶体管迁移率达117 cm²V⁻¹s⁻¹，比肩刚性衬底器件

基于这一转移策略制备的柔性场效应晶体管阵列，交出了一份亮眼的性能答卷：Zui高迁移率达117 cm²V⁻¹s⁻¹，亚阈值摆幅低至68.8 mV/dec，开关比高达10¹²。这三项关键指标均可与在刚性衬底上制备的同类器件相媲美，充分证明干法转移过程对MoS₂本征电学性能的保护效果。作为对比，目前文献报道的湿法转移柔性MoS₂晶体管迁移率普遍在数十cm²V⁻¹s⁻¹量级，差距十分显著。

研究团队进一步展示了基于该平台的柔性反相器件。器件工作于亚阈值区域，实现了218的电压增益和每微米宽度仅1.4皮瓦的超低功耗。亚阈值工作制度是一种让晶体管在开启电压以下运行的低功耗模式，在可穿戴传感、生物信号采集等对功耗极度敏感的应用场景中具有重要价值。该反相器的功耗水平已进入皮瓦量级，远低于传统薄膜晶体管电路，为柔性低功耗集成电路的设计提供了有力支撑。

驱动机器人夹爪触觉感知，实现实时触觉图像与物体识别

为验证该平台的系统集成能力，研究团队将柔性MoS₂晶体管阵列与压力传感器集成，构建了一套主动矩阵触觉感知系统（AM-TS），并将其贴附于机器人夹爪表面。实验结果表明，该系统能够实时采集夹爪与物体接触时的触觉分布图，准确识别不同形状和硬度的物体。这一演示将柔性二维材料电子学从单一器件层面推进到了实际应用系统层面，也为智能机器人、电子皮肤等前沿领域提供了技术参考。

触觉感知是机器人实现灵巧操作的核心能力之一，传统方案多依赖硅基刚性传感器，难以贴合复杂曲面。柔性MoS₂晶体管兼具高性能与形变适应性，恰好填补了这一空白。该研究的晶圆级制备能力（4英寸）也意味着阵列规模和集成密度可进一步扩展，为大面积触觉皮肤的实用化奠定了基础。

本研究由国家自然科学基金及西湖光电研究院重点项目资助，通讯作者来自西湖大学。值得关注的是，氧化铝干法转移路线与现有半导体工艺中的原子层沉积（ALD）技术高度兼容，无需引入全新的设备体系，这对于有意布局二维材料柔性器件赛道的国内企业和研究机构而言，具有较强的可复制性。随着4英寸乃至更大尺寸单晶TMD外延片的制备能力持续提升，干法转移工艺的产业化窗口正在加速开启。