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通往由异国材料制成的柔性电子产品万博体育注

人气:发表时间:2019-02-08 16:04

  今天绝大多数计算设备都是由硅制成的,硅是地球上第二大含氧元素,仅次于氧气。硅可以在岩石,粘土,沙子和土壤中以各种形式存在。虽然它不是地球上存在的最好的半导体材料,但它是目前最容易获得的材料。因此,硅是大多数电子设备中使用的主要材料,包括传感器,太阳能电池以及我们的计算机和智能手机中的集成电路。

  现在麻省理工学院的工程师已经开发出一种技术来制造由除硅以外的一系列特殊材料制成的超薄半导体薄膜。为了展示他们的技术,研究人员制造了由砷化镓,氮化镓和氟化锂制成的柔性薄膜 - 这些材料表现出比硅更好的性能,但迄今为止在功能器件中生产成本过高。

  研究人员表示,这项新技术为制造由半导体元件的任意组合制成的柔性电子元件提供了一种经济有效的方法,这种方法可以比目前的硅基器件表现更好。

  “我们已经开辟了一种方法,可以用除硅之外的许多不同的材料系统制造柔性电子产品,”1947年机械工程和材料科学与工程系的职业发展副教授Jeehwan Kim说。Kim认为该技术可用于制造低成本,高性能的设备,如柔性太阳能电池,可穿戴计算机和传感器。

  今天在Nature Materials上报道了这项新技术的细节。除了Kim之外,论文的麻省理工学院合着者包括魏孔,李华山,宽桥,金云英,李克善,李若麟,汤姆奥萨奇,理查德莫尔纳,杨瑜,桑颂裴,杨少鹤, Jeffrey Grossman,以及中山大学,弗吉尼亚大学,德克萨斯大学达拉斯分校,美国海军研究实验室,俄亥俄州立大学和佐治亚理工学院的研究人员。

  2017年,Kim和他的同事们设计了一种方法,使用石墨烯生产昂贵的半导体材料的“复制品” - 石墨烯是一种原子级薄的碳原子,排列成六边形的鸡丝图案。他们发现,当石墨烯堆叠在纯净,昂贵的半导体材料晶圆(如砷化镓)上时,镓和砷的原子流过堆叠,原子似乎以某种方式与下面的原子层相互作用,就好像中间石墨烯是看不见的或透明的。结果,原子组装成下面的半导体晶片的精确的单晶图案,形成精确的复制品,然后可以容易地从石墨烯层上剥离。

  他们称之为“远程外延”的技术提供了一种经济实惠的方法来制造多个砷化镓薄膜,仅使用一个昂贵的底层晶圆。

  在他们报告了他们的第一批结果后不久,该团队想知道他们的技术是否可用于复制其他半导体材料。他们试图将远程外延应用于硅,以及锗 - 两种廉价的半导体 - 但发现当它们将这些原子流过石墨烯时,它们无法与它们各自的下层相互作用。就像之前透明的石墨烯突然变得不透明一样,防止硅和锗原子“看到”另一侧的原子。

  实际上,硅和锗是存在于元素周期表的同一组内的两个元素。具体而言,这两个元素属于第四组,一类离子中性的材料,意味着它们没有极性。

  也许,团队推断,如果原子只有一些离子电荷,它们只能通过石墨烯相互作用。例如,在砷化镓的情况下,与砷的正电荷相比,镓在界面处具有负电荷。这种电荷差异或极性可能有助于原子通过石墨烯相互作用,就像它是透明的一样,并复制下面的原子图案。

  “我们发现通过石墨烯的相互作用取决于原子的极性。对于最强的离子键合材料,它们甚至可以通过三层石墨烯相互作用,”Kim说。“它类似于两块磁铁吸引的方式,即使是通过一张薄纸。”

  研究人员通过使用远程外延来复制具有不同极性的半导体材料(从中性硅和锗到轻微极化的砷化镓,最后是高度极化的氟化锂 - 一种比硅更好,更昂贵的半导体)来测试他们的假设。

  他们发现,极性程度越大,原子相互作用越强,甚至在某些情况下,通过多片石墨烯。他们能够生产的每种薄膜都是柔韧的,只有几十到几百纳米厚。

  研究小组发现,原子相互作用的物质也很重要。除了石墨烯之外,他们还尝试了六角形氮化硼(hBN)中间层,这种材料类似于石墨烯的原子图案,具有类似特氟隆的质量,使得覆盖材料在复制后可以轻松剥离。

  然而,hBN由带相反电荷的硼和氮原子制成,其在材料本身内产生极性。在他们的实验中,研究人员发现,任何流过hBN的原子,即使它们本身都是高度极化的,也不能完全与它们下面的晶片相互作用,这表明感兴趣的原子和中间材料的极性决定了原子是否将相互作用并形成原始半导体晶片的副本。

  他说,通过这种新的理解,研究人员现在可以简单地查看周期表并选择两个相反电荷的元素。一旦他们获得或制造由相同元件制成的主晶圆,他们就可以应用团队的远程外延技术来制作原始晶圆的多个精确副本。

  “人们大多使用硅片,因为它们很便宜,”金说。“现在我们的方法开辟了一种使用性能更高的非硅材料的方法。您可以购买一个昂贵的晶圆并一遍又一遍地复制,并继续重复使用晶圆。现在,这种技术的材料库已经完全扩展。 “

  Kim设想远程外延现在可以用来制造各种以前异国情调的半导体材料制成的超薄柔性薄膜 - 只要这些材料是由具有一定极性的原子制成的。万博体育注册这种超薄薄膜可以堆叠在一起,一个在另一个上面,以生产微小,灵活,多功能的设备,如可穿戴传感器,柔性太阳能电池,甚至在遥远的未来,“连接到你皮肤的手机”。

  “在智能城市,我们可能希望在任何地方放置小型计算机,我们需要低功耗,高灵敏度的计算和传感设备,由更好的材料制成,万博体育注册”Kim说。“这项[研究]为这些设备开辟了道路。”

  这项研究部分得到了国防高级研究计划局,能源部,空军研究实验室,LG电子,爱茉莉太平洋,LAM研究和ADI公司的支持。