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研究背景

隨著制造技術的不斷發展，從手工制造到精密機械制造，再到原子尺度制造，制造業進入了不同的階段。在這個演變過程中，原子和接近原子尺度制造（ACSM）作為一種基礎技術，吸引了廣泛的關注。這種技術允許在原子尺度上進行材料的添加、去除和轉化，具有極高的精度和控制能力。在諸多材料中，二維材料因其原子級別的特性和獨特的物理性質而備受關注。然而，二維材料的制造和應用仍然面臨著挑戰。傳統的制造方法，如化學氣相沉積（CVD）和光刻技術，雖然能夠合成高質量的二維材料，但在圖案化和集成方面存在限制和問題，如可擴展性差、工藝復雜、引入雜質等。

成果簡介

為此，柏林大學學院機械與材料工程學院Nan Zhang教授團隊在npj-2D Materials and Applications期刊發題為“Advance in additive manufacturing of 2D materials at the atomic and close-to-atomic scale”的研究成果。這項研究旨在開發新的制造技術，使二維材料的制造過程更加高效、簡化和可控。通過這些新方法，科學家們希望能夠實現在原子尺度上控制二維材料的合成位置和厚度，從而實現對材料性質和功能的精確調控。

圖文導讀

本研究解決了二維材料制造中的關鍵問題，即如何實現高質量、可控制的原子尺度增材制造。通過對幾種潛在的原子尺度增材制造方法進行系統分析，本研究提供了一種新的途徑來克服傳統制造方法的局限性，并探索了這些方法在電子學、生物傳感器和納米電機系統等領域的潛在應用。相關成果如下：

圖1. 二維材料的原子尺度增材制造和應用

圖2.?用于定位選擇性CVD的種子方法的二維材料

圖3.?用于定位選擇性CVD的二維材料的預圖案化基底

圖4.?面積選擇性ALD的二維材料

圖5.?面積選擇性電沉積的二維材料

圖6.?二維材料的激光輔助方法

圖7. 二維材料的印刷方法

圖8.?用于二維材料的對齊堆疊

圖9.?二維材料電子學和生物傳感器

圖10.?基于二維材料的納米電機系統

結論與展望

通過對原子尺度二維材料增材制造的系統研究，本綜述深入探討了各種方法的優缺點以及其在制造領域的潛在應用。首先，原子尺度增材制造技術的發展為二維材料制備和加工帶來了重大突破，為實現原子級設備提供了關鍵支持。其精確的原子層控制確保了材料厚度和組成的一致性，從而在電子學、生物傳感器和納米電機系統等領域展現了巨大潛力。然而，盡管取得了顯著進展，但仍然存在一些挑戰需要解決。其中，實現更高精度的選擇性合成和控制厚度的技術，以及建立穩定可靠的大規模制造過程是最為關鍵的。

此外，針對不同增材制造方法的特定挑戰也需要克服，例如電沉積方法、激光方法和印刷方法的一致性問題，以及CVD和ALD等方法的尺寸分辨率限制。面對這些挑戰，未來的研究應重點解決提高精度、改善一致性和建立可靠過程等關鍵問題。隨著這些問題的解決，原子尺度二維材料增材制造將為制造技術的進步和二維材料應用的拓展帶來更多機遇。

文獻信息

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。

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