Advances and opportunities for automated robotic preparation of 2D materials and fabrication of 2D heterostructures
本综述探讨了从二维材料及异质结构的手动制备向自动化机器人制备的转变，重点介绍了在仪器仪表、工艺处理以及人工智能方面的最新进展，这些进展对于克服当前方法的复杂性限制，并实现精密、高通量的复杂多层系统构建至关重要。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象这样一个世界：你可以像堆叠极薄、肉眼不可见的纸张一样，一层又一层地构建出新型物质。科学家们发现了一类被称为“二维材料”的全新材料家族，它们的厚度仅为一个原子。可以将它们想象成原子世界里终极的乐高积木。其中一些积木像超级高速公路一样导电，另一些则是完美的绝缘体，有些甚至具有磁性，或者可以在没有任何电阻的情况下导电。当我们将这些不同的原子片层叠放在一起时，它们并不仅仅是静静地堆叠，而是会相互“对话”，从而创造出自然界中并不存在的全新物理特性和奇异物质态。这就是“二维异质结构”的游乐场。
十多年来，研究人员一直通过手动拾取这些微小的薄片并进行堆叠，以此来制造这些神奇的器件。这有点像是在戴着烤箱手套时，试图仅用镊子用湿透的意大利面搭建出一座摩天大楼。这个过程极其精细、缓慢且充满挫败感。如果你打个喷嚏或手抖一下，整座塔就会坍塌。但其潜力是巨大的：这些结构可能会带来更快的计算机、更好的传感器以及全新的能源利用方式。核心问题在于：我们如何从每年仅靠几位幸运的科学家手工搭建出一座完美高塔，转向能够每次都完美构建数百万座高塔的工厂？
这篇论文是关于如何将这种精细的手工艺术转化为高科技自动化科学的路线图。作者们是一群物理学家和工程师，他们综述了旨在将人类双手从循环中剔除的最新的工具和技术。他们认为，二维材料的未来在于机器人技术、人工智能（AI）以及能够以超人精度进行剥离、寻找和堆叠这些原子片的专用机器。
该论文探讨了自动化正在发挥作用的几个关键领域。首先，它研究了自动化剥离。目前，科学家使用胶带从晶体上剥离层，这是一个全凭运气、时好时坏的过程。新的机器人机器正在被制造出来，以精确控制胶带剥离的速度和角度，这有望比人类生产出更高质量的薄片。接下来，论文讨论了人工智能驱动的检测。在显微镜下从数百个微小斑点中找到正确的薄片，就像在沙滩上寻找一颗特定的沙粒一样。作者强调，计算机视觉和机器学习现在可以在几秒钟内扫描显微镜图像，识别出完美的薄片并以近乎完美的精度测量其厚度，而这在过去需要耗费大量的人眼劳损时间。
综述的核心聚焦于机器人组装。作者描述了像“2DMMS”和“QPress”这样的系统，它们本质上是能够拾取这些原子片并将其逐层堆叠的机械臂。这些机器人可以组装多达29层的结构（在某些真空系统中甚至可达80层），这项工作如果由人工完成将需要数百小时且面临极高的失败风险。论文详细介绍了这些机器人在不同环境下的工作方式：一些在充满惰性气体的“手套箱”中以保护对空气敏感的材料，另一些则在超高真空室中，那里几乎排除了所有空气以防止任何污染。
然而，论文也指出我们尚未完全达到目标。虽然机器人可以堆叠层，但它们仍然在处理工具的“粘性”方面面临困难。目前大多数方法使用聚合物印章（类似于塑料胶带）来拾取薄片，这会留下残留物，破坏层与层之间完美的界面。作者综述了无机印章这一令人兴奋的新进展——即使用薄金属膜或氮化硅薄膜代替塑料，以创造更干净的界面。他们还指出，虽然有些系统可以实现堆叠自动化，但从剥离晶体到堆叠最终器件的整个过程尚未实现完全自动化。
最终，这篇论文表明该领域正处于重大转变的边缘。通过将机器人的精密性、人工智能的智能以及更洁净的无聚合物工具相结合，我们可以从构建一次性的、脆弱的原子结构，转向大规模制造稳健、高质量的二维异质结构。作者们设想了一个未来，届时“自动驾驶实验室”可以自主设计、构建并测试这些材料，从而加速那些目前仍隐藏在人类双手局限性之后的物理学和新技术发现。梦想是将这些复杂的“原子三明治”的制造过程，变得像今天的印刷电路板一样常规且可靠。
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