西湖大学孔玮团队Nature Electronics：实现单晶二维半导体材料的晶圆级柔性集成与超低功耗电子系统

西湖大学工学院孔玮团队在二维半导体器件领域取得重要进展，提出了一种基于高介电常数氧化物的干法转移策略，实现了晶圆级单晶二硫化钼（MoS₂）薄膜在柔性基底上的无损集成。该策略通过氧化物介质层增强界面结合力，实现了对单晶二硫化钼的高效机械剥离，全程避免与聚合物或溶剂的接触，从而有效解决了传统湿法转移过程中因有机残留导致的材料性能退化问题。基于这一方法制备的柔性场效应晶体管阵列展现出优异的电学性能和良好的晶圆级均匀性，其关键指标达到同类器件先进水平。研究团队进一步构建了基于二硫化钼的柔性逻辑反相器，在亚阈值区实现了高增益与极低功耗的协同优化，并成功集成了有源矩阵触觉传感阵列，将其与软体机器人手爪结合，实现了对物体形状的高分辨率实时压力映射。该研究为高性能柔性逻辑电路与智能感知系统的集成应用提供了可行的技术路径，展示了单晶二维材料在下一代柔性电子器件中的巨大潜力。相关研究成果以“Wafer-scale integration of single-crystalline molybdenum disulfide for flexible electronics using oxide dry transfer”为题，发表于《Nature Electronics》。

柔性电子正加速迈向可穿戴设备、智能机器人与健康监测等前沿应用，但真正制约其发展的关键并非“能否弯曲”，而是如何在保持机械柔性的同时实现接近硅基电子水平的电学性能。传统大面积柔性薄膜晶体管体系，如非晶硅、低温多晶硅、氧化物半导体以及有机半导体，虽然已在显示与传感领域获得应用，但普遍存在迁移率有限、漏电流较高和器件均匀性不足等问题，难以支撑高密度逻辑运算与低功耗系统集成。二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）因其原子级厚度、无悬挂键表面以及优异载流子输运特性，被认为是兼具“柔性”与“高性能”的理想半导体体系，其中单层二硫化钼（MoS₂）在理论与实验上均展现出优异电学性能与机械稳定性，是构建下一代柔性电子系统的重要候选材料。然而，二维材料的性能高度依赖晶体质量，多晶MoS₂中普遍存在的晶界和缺陷会引入载流子散射与漏电通道，显著降低迁移率并恶化亚阈值特性，因此晶圆级单晶外延生长成为提升性能的核心路径。近年来，基于蓝宝石衬底的外延技术已实现单晶MoS₂的晶圆级合成，但由于单晶材料与衬底之间存在较强界面相互作用，其释放与转移至柔性基底面临重大挑战。现有广泛采用的湿法转移不可避免地引入聚合物和溶剂残留，导致界面态密度升高、掺杂不均与接触电阻增加，从而削弱单晶材料的本征优势；而依赖范德华力的机械干法转移虽可避免污染，却难以扩展至晶圆尺度，且难以克服单晶材料与衬底之间更强的结合力。因此，如何在保持单晶本征性能的前提下，实现无水、无聚合物、可规模化且与微纳加工工艺兼容的晶圆级柔性集成，成为二维半导体迈向高性能柔性电子系统亟待解决的关键科学与技术问。

氧化物干法转移：开启晶圆级柔性电子新范式

图1 氧化物干法转移流程

研究团队首先在蓝宝石衬底上生长出4英寸单晶MoS₂薄膜，然后在其表面覆盖一层特殊设计的氧化物结构，使整个薄膜能够整体“揭起”并转移到柔性基底上，同时在转移过程中原位完成晶体管关键结构的构建，大幅提升器件制造效率。与传统湿法转移不同，该过程无需水或聚合物参与，从源头避免了污染和性能损失。转移后的薄膜在柔性基底上依然保持完整连续，没有明显破损或褶皱，低能电子衍射表明其单晶特性在转移前后保持一致，这种方法不仅适用于MoS₂，还推广至WS₂和WSe₂等多种材料，为高质量二维半导体材料在高性能柔性电子中的应用奠定了坚实基础。

原子级“物理纯净”：从源头杜绝污染的超洁净界面

图2 氧化物干法转移工艺的材料质量分析。

为了验证氧化物干法转移对单晶材料质量的保护，研究团队对转移后的MoS₂进行了严格的表面分析 。不同于传统湿法转移容易留下聚合物残渣或产生微小裂纹，氧化物干法转移得到的薄膜表面如镜面般平整，完全没有有机物残留的“斑点” 。通过X射线光电子能谱（XPS）分析发现，传统方法中常见的C=O污染信号在干法转移样本中基本消失，证明了该工艺达到的极致洁净度 。此外，拉曼光谱（Raman）和荧光光谱（PL）测试结果显示，由于避免了化学液体的侵害，单晶的本征物理特性被完美保留，展现出与生长态高度一致的光学特征和晶格完整性。

打破性能记录：让柔性器件性能媲美刚性器件

图3 晶圆级MoS₂晶体管的性能特性分析。

衡量晶体管优劣的关键在于迁移率和开关比，而实验数据证明柔性器件也能拥有优异的电子性能 。在PET柔性基底上，这些MoS₂晶体管的场效应迁移率达到了117 cm² V^-1s^-1，远超湿法转移工艺器件。此外，其卓越的机械鲁棒性，在半径仅为5mm的剧烈弯折下，器件性能依然稳定，经过100次循环测试后迁移率保持率仍超过98%，且在整个4英寸晶圆范围内展现出了极高的性能均匀性 。

逻辑运算新高度：开启皮瓦级的超低功耗时代

图4 基于MoS2的柔性逻辑反相器的特性。

高性能的个体器件最终要走向复杂的电路集成，研究团队由此构建了基于单晶MoS₂的柔性逻辑反相器阵列 。得益于器件极陡峭的亚阈值摆幅和极低的漏电流，该反相器展现出了优异的电压增益，峰值增益高达218。在追求算力的同时，该电路也将省电做到了极致，静态功耗低至1.4 pW µm^-1。这一数值代表了目前已知柔性薄膜电子系统中的最低功耗水平之一，且在实现极低功耗的同时，其增益性能比同类有机材料或碳纳米管器件高出一倍以上。

赋能触觉感知：打造机器人的“智能皮肤”

图5 主动矩阵触觉传感器阵列。

最后，研究团队将这项技术带入了实际应用场景，研制出一种由10×10阵列构成的活性矩阵触觉传感器（AM-TS），并将其像皮肤一样贴合在软体机器人的抓手上 。该系统中每一个触觉单元都由一个MoS₂晶体管和一个碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（CNT/PDMS）压阻式传感器串联而成，晶体管充当精准的像素开关 。这种配置使得机器人能够感知低至200 Pa的细微压力，并实时绘制出高分辨率的压力分布地图 。通过识别压力的分布轮廓，机器人抓手甚至能精准识别出六角螺帽等物体的形状、位置和大小，为复杂环境下的智能操作提供了核心技术支撑 。

总结

本研究报道了一种基于氧化物的干法转移策略，实现了4英寸晶圆级单晶单层MoS₂向柔性基底的无损集成。该工艺完全摒弃了传统湿法转移中易造成污染的水和聚合物，且与标准微纳加工工艺高度兼容。基于此技术，研究团队在柔性PET基底上成功制备出高性能场效应晶体管（FET）阵列，其最大迁移率达117 cm² V^-1s^-1，电流开关比高达1012，综合性能远超传统湿法工艺。此外，器件表现出接近理论极限的亚阈值摆幅，支撑了增益高达218且功耗仅为皮瓦（pW）级的柔性逻辑反相器。通过进一步集成活性矩阵压力传感电路，研究展示了该技术在软体机器人实时触觉映射中的应用潜力，为大面积、高性能柔性电子器件的实用化奠定了坚实基础。

致谢

本研究第一作者为浙江大学/西湖大学联合培养博士生徐翔、西湖大学博士后陈奕彤与博士沈继闯。西湖大学孔玮教授、朱博文教授为本文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和西湖大学光电研究院重点项目支持以及西湖大学未来产业研究中心和西湖教育基金的资助支持。作者感谢西安电子科技大学刘丽香教授对于原子层沉积技术的指导，感谢西湖大学微纳加工与测试平台曹杰、穆希、王云生、王越和邢真真等老师，及物质公共科学平台杨祯老师和分子科学平台陈中老师的设备指导支持。