今天絕大多數(shù)計(jì)算設(shè)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(dǎo)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(jì)算機(jī),、智能手機(jī)等大多數(shù)電子設(shè)備中,，硅都是占主導(dǎo)地位的材料。
現(xiàn)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(dǎo)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(xiàn)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(yīng)用中生產(chǎn)成本過(guò)高,。
研究人員表示,，在制造由半導(dǎo)體元件組合制成的柔性電子元件上，這項(xiàng)新技術(shù)提供了一種更為經(jīng)濟(jì)有效的方法,，比目前的硅基器件的表現(xiàn)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(shè)備,?！睓C(jī)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(shè)備,，如柔性太陽(yáng)能電池、可穿戴計(jì)算機(jī)和傳感器,。
10月8日,，這項(xiàng)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－h(huán)oon 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(dá)拉斯分校、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局、美國(guó)能源部,、美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室,、LG電子,、愛(ài)茉莉太平洋集團(tuán),、泛林集團(tuán)和ADI公司的部分支持。
2017年,，Kim及其同事采用石墨烯設(shè)計(jì)出一種制造昂貴半導(dǎo)體材料“副本”的方案,。他們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯堆疊在如砷化鎵等純凈,、昂貴的半導(dǎo)體晶圓材料上,，當(dāng)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(jié)果，這些原子集合到下方半導(dǎo)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(yuǎn)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(jié)果報(bào)告出來(lái)后不久，該團(tuán)隊(duì)就想知道這一技術(shù)是否可用于復(fù)制其他半導(dǎo)體材料,。他們?cè)噲D將“遠(yuǎn)程外延”應(yīng)用于硅和鍺這兩種廉價(jià)的半導(dǎo)體,，但是他們發(fā)現(xiàn)，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(cè)的原子,。
實(shí)際上,，硅和鍺是存在于元素周期表的同一組內(nèi)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(tuán)隊(duì)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(fù)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(fù)制下面的原子圖案,。
“我們發(fā)現(xiàn),，透過(guò)石墨烯的交互取決于原子的極性。對(duì)于最強(qiáng)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),?！八c兩種磁鐵的吸引方式相似,，即使是一張薄紙?！?/p>
為了測(cè)試他們的假設(shè),，研究人員們采用遠(yuǎn)程外延法復(fù)制具有不同極性的半導(dǎo)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(dǎo)體）,。
他們發(fā)現(xiàn),，極化程度越深，原子相互作用越強(qiáng),，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(xiàn),，原子相互作用的物質(zhì)也很重要。除了石墨烯,，他們實(shí)驗(yàn)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(fù)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(nèi)就產(chǎn)生了極性。在他們的實(shí)驗(yàn)中,，研究人員發(fā)現(xiàn),，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(dǎo)體晶圓的副本。
“現(xiàn)在,，我們真正理解了原子通過(guò)石墨烯相互作用的規(guī)則,。”Kim說(shuō),。
他表示,，通過(guò)這種新的規(guī)則,，研究人員現(xiàn)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(tuán)隊(duì)的遠(yuǎn)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?yàn)樗鼈兒鼙阋?。”Kim說(shuō),?！艾F(xiàn)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(gòu)買(mǎi)一個(gè)昂貴的晶圓,，并一遍又一遍地復(fù)制它，不斷重復(fù)使用?，F(xiàn)在,，這項(xiàng)技術(shù)的材料庫(kù)已經(jīng)完全擴(kuò)展?！?/p>
Kim設(shè)想,，遠(yuǎn)程外延現(xiàn)在可以用以前那些被認(rèn)為特殊的半導(dǎo)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(shè)備,，如可穿戴傳感器、柔性太陽(yáng)能電池,，甚至在遙遠(yuǎn)的未來(lái),，“手機(jī)可以貼到你的皮膚上?！?/p>
“在智能城市,，我們希望在任何地方放置小型計(jì)算機(jī)，這就需要由更好材料制成的低功耗,、高靈敏的計(jì)算和傳感設(shè)備,。”Kim說(shuō),?！斑@項(xiàng)研究為這些設(shè)備開(kāi)辟了道路?！?/p>