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 機械工程系,、材料科學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算機和傳感器等。
10月8日,，該技術(shù)相關(guān)的詳細信息發(fā)表在《Nature Materials》期刊上。該項研究得到了美國國防高級研究計劃局,、能源部,、美國空軍實驗室、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 團隊發(fā)明了一種利用石墨烯（只有一個原子厚, 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,。
他們把這項技術(shù)稱之為“遠程外延”（remote epitaxy）,，通過該技術(shù)，可利用同一個昂貴的晶片,，制備出多個砷化鎵薄膜,，利于降低制備成本。
在此之后,，研究團隊利用“遠程外延”,，嘗試制備價格低廉的硅和鍺半導(dǎo)體。結(jié)果發(fā)現(xiàn),，當硅和鍺原子“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”,。
研究團隊分析，可能只有原子帶有一些離子電荷時,，才能透過石墨烯相互作用,。比如砷化鎵，在界面層,，鎵帶負電荷,，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。對于強離子鍵合材料,，即便是隔著三個石墨烯層,，他們也可以相互作用。這就如同兩個磁極,，即便隔著一張薄紙,，也可以相互吸引?！?/p>
異性相吸
為了驗證實驗設(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,，再到極性較強的氟化鋰。結(jié)果發(fā)現(xiàn),，極性越強,，原子間相互作用越強，即便是透過幾個單層石墨烯,。他們制備的薄膜均是柔性的,，且厚度只有幾十到幾百納米。
研究團隊還發(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，他們嘗試利用六方氮化硼（hBN）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,。實驗發(fā)現(xiàn)，任何“流過”hBN 的原子,，即使自身具備較強的極性,，也無法與底層的晶片相互作用。這表明,，目標半導(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“遠程外延”技術(shù)制備出多個副本,。
Kim表示，“硅晶片是當前的主流,，主要因為它們價格便宜?，F(xiàn)在，我們開辟了一條新路徑,，制備高性能的非硅材料,。你只需購買一個昂貴的晶片，就可以重復(fù)利用晶片,，不斷地進行復(fù)制,。并且，這項技術(shù)的材料庫是完全可擴展的,?！?/p>