砷化鎵、氮化鎵以及氟化鋰等材料的性能勝過硅材料,,但是目前用它們制備功能器件,,成本仍十分高昂。而現(xiàn)在,,MIT 的研究人員開發(fā)了一種新技術(shù),,可制備多種超薄的非硅半導(dǎo)體薄膜,比如砷化鎵,、氮化鎵以及氟化鋰柔性薄膜,。研究人員表示,利用該技術(shù),,可制備任意半導(dǎo)體元素組合的柔性電子器件,,并且成本低。
圖︱MIT 研究人員利用二維材料,,制備單晶復(fù)合半導(dǎo)體,,并可以從柔性襯底上剝離。該技術(shù)可制備非硅半導(dǎo)體,,成本低,,為柔性電子器件以及晶片的重復(fù)利用奠定了基礎(chǔ)
MIT 機(jī)械工程系、材料科學(xué)與工程系的助理教授 Jeehwan Kim 表示,,他們開創(chuàng)了一種制備柔性電子器件的新方式,,可利用多種不同的非硅材料體系。他認(rèn)為該方法可用于制備低成本,、高性能的器件,,比如柔性太陽能電池以及可穿戴式計(jì)算機(jī)和傳感器等。
10月8日,,該技術(shù)相關(guān)的詳細(xì)信息發(fā)表在《Nature Materials》期刊上,。該項(xiàng)研究得到了美國國防高級研究計(jì)劃局、能源部、美國空軍實(shí)驗(yàn)室,、LG 電子,、Amore Pacific、LAM Research 以及 ADI 公司的部分支持,。
可見,、又不可見的石墨烯?
2017 年,,Kim 團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種利用石墨烯(只有一個(gè)原子厚, 碳原子組成六角型呈蜂巢晶格),,“復(fù)制”昂貴半導(dǎo)體材料的方法。
他們發(fā)現(xiàn),,把石墨烯堆疊在純凈且昂貴的半導(dǎo)體材料晶片上(比如砷化鎵),,鎵、砷原子會“涌出”到石墨烯層上繼續(xù)生長,。它們似乎與石墨烯層下面的原子層相互作用,,就好像中間的石墨烯是隱形的、透明的,。結(jié)果,,石墨烯上層的這些原子就組裝成與底部半導(dǎo)體晶片相同單晶圖案的薄膜,形成了一個(gè)精確的“副本”,,并且可以很容易地從石墨層上剝離下來,。
他們把這項(xiàng)技術(shù)稱之為“遠(yuǎn)程外延”(remote epitaxy),通過該技術(shù),,可利用同一個(gè)昂貴的晶片,,制備出多個(gè)砷化鎵薄膜,利于降低制備成本,。
在此之后,,研究團(tuán)隊(duì)利用“遠(yuǎn)程外延”,,嘗試制備價(jià)格低廉的硅和鍺半導(dǎo)體,。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)硅和鍺原子“流過”石墨烯,,并不能與石墨烯下方相應(yīng)的襯底產(chǎn)生作用,。這就好像原本透明的石墨烯,突然變得不透明了,,阻止硅和鍺原子“看到”另一面的原子,。
正巧,硅元素和鍺元素在元素周期表中同屬第四主族,。而第四主族材料呈離子中性,,也就是說沒有極性。Kim 表示,“這給了我們提示”,。
研究團(tuán)隊(duì)分析,,可能只有原子帶有一些離子電荷時(shí),才能透過石墨烯相互作用,。比如砷化鎵,,在界面層,鎵帶負(fù)電荷,,而砷帶正電荷,。正是電荷或極性的不同,才使得它們透過石墨烯產(chǎn)生相互作用,,并復(fù)制底層的原子圖案,,就好像石墨烯是透明的。
Kim 表示,,“透過石墨烯的相互作用取決于原子的極性,。對于強(qiáng)離子鍵合材料,即便是隔著三個(gè)石墨烯層,,他們也可以相互作用,。這就如同兩個(gè)磁極,即便隔著一張薄紙,,也可以相互吸引,。”
異性相吸
為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)想,,研究人員復(fù)制了不同極性程度的半導(dǎo)體材料,,從中性的硅和鍺,到極性較弱的砷化鎵,,再到極性較強(qiáng)的氟化鋰,。結(jié)果發(fā)現(xiàn),極性越強(qiáng),,原子間相互作用越強(qiáng),,即便是透過幾個(gè)單層石墨烯。他們制備的薄膜均是柔性的,,且厚度只有幾十到幾百納米,。
研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),原子透過哪些材料(中間層),,也是有影響的,。除了石墨烯,他們嘗試?yán)昧降穑╤BN)作為中間層,。hBN 與石墨烯的原子排列圖案相同,,并且具有類似于 Teflon 的性質(zhì),,使得堆疊在其上方的材料可以很容易地剝離下來。
但是,,hBN 是由電性相反的硼和氮原子組成,,因此材料本身就有了極性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),,任何“流過”hBN 的原子,,即使自身具備較強(qiáng)的極性,也無法與底層的晶片相互作用,。這表明,,目標(biāo)半導(dǎo)體材料和中間層材料的原子極性共同決定了原子間是否會相互作用,是否會形成原始半導(dǎo)體晶片的“副本”,。
Kim表示,,“現(xiàn)在,我們真正理解了原子透過石墨烯進(jìn)行相互作用的規(guī)則,?!备鶕?jù)這一新發(fā)現(xiàn),研究人員可以從元素周期表中任意選取兩種相對極性的元素,,只要能夠制備出“母晶片”,,那么就可以利用“遠(yuǎn)程外延”技術(shù)制備出多個(gè)副本。
Kim表示,,“硅晶片是當(dāng)前的主流,,主要因?yàn)樗鼈儍r(jià)格便宜。現(xiàn)在,,我們開辟了一條新路徑,,制備高性能的非硅材料。你只需購買一個(gè)昂貴的晶片,,就可以重復(fù)利用晶片,,不斷地進(jìn)行復(fù)制。并且,,這項(xiàng)技術(shù)的材料庫是完全可擴(kuò)展的,。”