MIT研發(fā)新方法，用特殊材料制作柔性電子

在制作半導體薄膜時(shí)，這種方法比硅更經(jīng)濟有效。

今天絕大多數計算設備都是由硅制成的，后者僅次于氧氣，是地球上第二大含氧元素，以各種形式存在于巖石、粘土、沙子和土壤中。在地球上，雖然硅不是最好的半導體材料，但卻是最容易獲得的。因此，在傳感器、太陽(yáng)能電池、計算機、智能手機等大多數電子設備中，硅都是占主導地位的材料。

現在，麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種由特殊材料制成的超薄半導體薄膜。他們制造了由砷化鎵、氮化鎵和氟化鋰制成的柔性薄膜，這些材料表現出比硅更好的性能。但是，到目前為止這些材料在功能器件的應用中生產(chǎn)成本過(guò)高。

研究人員表示，在制造由半導體元件組合制成的柔性電子元件上，這項新技術(shù)提供了一種更為經(jīng)濟有效的方法，比目前的硅基器件的表現更好。

“我們已開(kāi)辟出一條新途徑，能用許多不同于硅的材料制造柔性電子設備。”機械工程、材料科學(xué)與工程系副教授 Jeehwan Kim 表示。他希望該技術(shù)可用于制造低成本、高性能的設備，如柔性太陽(yáng)能電池、可穿戴計算機和傳感器。

10月8日，這項新技術(shù)的論文已刊登在《Nature Materials（自然材料）》期刊上。除了Kim之外，論文的合著(zhù)者還包括麻省理工學(xué)院的Wei Kong、Huashan Li、 Kuan Qiao、Yunjo Kim、Kyusang Lee、Doyoon Lee、Tom Osadchy、Richard Molnar、Yang Yu、Sang-hoon Bae、Yang Shao-Horn和Jeffrey Grossman，以及來(lái)自中山大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)、德克薩斯大學(xué)達拉斯分校、美國海軍研究實(shí)驗室、俄亥俄州立大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的研究人員，并得到了美國國防高級研究計劃局、美國能源部、美國空軍實(shí)驗室、LG電子、愛(ài)茉莉太平洋集團、泛林集團和ADI公司的部分支持。

2017年，Kim及其同事采用石墨烯設計出一種制造昂貴半導體材料“副本”的方案。他們發(fā)現，將石墨烯堆疊在如砷化鎵等純凈、昂貴的半導體晶圓材料上，當鎵原子和砷原子流過(guò)石墨烯堆時(shí)，這些原子似乎以某種方式與下面的原子層進(jìn)行交互，中間的石墨烯似乎是不可見(jiàn)或透明的。結果，這些原子集合到下方半導體晶圓精密的單晶圖案中，形成了一個(gè)精確的“副本”，并可以輕易地從石墨烯層上剝落下來(lái)。

他們將這種技術(shù)稱(chēng)為“遠程外延”，提供了一種僅使用一個(gè)昂貴下層晶圓，就能制造多層砷化鎵薄膜的低成本方案。

在第一批結果報告出來(lái)后不久，該團隊就想知道這一技術(shù)是否可用于復制其他半導體材料。他們試圖將“遠程外延”應用于硅和鍺這兩種廉價(jià)的半導體，但是他們發(fā)現，讓這些原子從石墨烯上流過(guò)時(shí)，它們無(wú)法與各自的下層進(jìn)行交互，以往“透明”的石墨烯再次變得“不透明”，阻止硅和鍺原子“看到”另一側的原子。

實(shí)際上，硅和鍺是存在于元素周期表的同一組內的兩個(gè)元素。具體而言，這兩個(gè)元素屬于第四組，此類(lèi)材料是離子中性的，沒(méi)有極性。

“這給了我們一個(gè)提示。”Kim說(shuō)。該團隊推斷，也許原子只有通過(guò)某種離子電荷，才能透過(guò)石墨烯相互作用。例如，在砷化鎵的案例中，在界面上，砷具有正電荷，鎵具有負電荷。這種電荷或極性的差異，可能有助于原子通過(guò)石墨烯相互作用，就像它是透明的一樣，并復制下面的原子圖案。

“我們發(fā)現，透過(guò)石墨烯的交互取決于原子的極性。對于最強離子鍵材料，它們甚至可以通過(guò)三層石墨烯相互作用。”Kim說(shuō)。“它與兩種磁鐵的吸引方式相似，即使是一張薄紙。”

為了測試他們的假設，研究人員們采用遠程外延法復制具有不同極性的半導體材料，從中性硅和鍺，再到輕微極化的砷化鎵，最后是高度極化的氟化鋰（一種比硅更好、更昂貴的半導體）。

他們發(fā)現，極化程度越深，原子相互作用越強，甚至在某些情況下能夠通過(guò)多片石墨烯。他們能生產(chǎn)的每種薄膜都是柔性的，只有幾十到幾百納米厚。

研究小組發(fā)現，原子相互作用的物質(zhì)也很重要。除了石墨烯，他們實(shí)驗了六方氮化硼（HBN）中間層，一種類(lèi)似于石墨烯原子圖案的材料，并具有類(lèi)似特氟龍的品質(zhì)，在復制時(shí)，堆疊在其上方的材料可以被很容易地剝離。

然而，六方氮化硼是由電性相反的硼和氮原子組成，其在材料本身內就產(chǎn)生了極性。在他們的實(shí)驗中，研究人員發(fā)現，流過(guò)六方氮化硼的任何原子，即使它們本身具有高度極性，也不能完全與它們下面的晶圓相互作用。這也表明，原子和中間材料的極性，都決定了原子是否將相互作用并形成原始半導體晶圓的副本。

“現在，我們真正理解了原子通過(guò)石墨烯相互作用的規則。”Kim說(shuō)。

他表示，通過(guò)這種新的規則，研究人員現在可以簡(jiǎn)單地查看周期表，并選擇兩個(gè)相反電荷的元素。一旦他們通過(guò)相同的元素獲取或制造主晶圓，他們就可以使用該團隊的遠程外延技術(shù)來(lái)制作原始晶圓的多層精確副本。

“人們大多使用硅片，因為它們很便宜。”Kim說(shuō)。“現在，我們的技術(shù)開(kāi)辟了一種使用更高性能非硅材料的方法。你可以購買(mǎi)一個(gè)昂貴的晶圓，并一遍又一遍地復制它，不斷重復使用?，F在，這項技術(shù)的材料庫已經(jīng)完全擴展。”

Kim設想，遠程外延現在可以用以前那些被認為特殊的半導體材料來(lái)制成超薄柔性膜，只要這些材料是由具有一定極性的原子制成的。這種超薄薄膜可以一層一層的堆疊在一起，以生產(chǎn)微小、靈活、多功能的設備，如可穿戴傳感器、柔性太陽(yáng)能電池，甚至在遙遠的未來(lái)，“手機可以貼到你的皮膚上。”

“在智能城市，我們希望在任何地方放置小型計算機，這就需要由更好材料制成的低功耗、高靈敏的計算和傳感設備。”Kim說(shuō)。“這項研究為這些設備開(kāi)辟了道路。”

編譯：鎂客網(wǎng)

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