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新技术为特殊材料制造柔性电子器件开辟了路径

2019-11-07 16:51:43 | 来源: 数码

今天绝大多数计算装备都是由硅制成的,硅是地球上第二丰富的元素,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,但它是目前为止最容易取得的材料。因此,硅是大多数电子设备中使用的主要材料,包括传感器,太阳能电池和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们已开发出一种技术来制造由除硅之外的一系列特殊材料制成的超薄半导体薄膜。为了展现他们的技术,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 - 这些材料展现的性能比硅更好,但迄今为止,在功能装备中生产柔性薄膜的本钱过于昂贵。

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,这样的柔性电子元件可以比目前的硅基器件性能更好。

“我们已经开发了一种方法,可以用除硅以外的许多不同的材料系统制造柔性电子器件,” 机械工程与材料科学与工程系1947年职业发展副教授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、可穿着计算机和传感器。

新技术为特殊材料制造柔性电子器件开辟了路径

麻省理工学院的研究人员设计了一种通过二维材料在GaN基底上生长单晶GaN薄膜的方法。然后通过柔性基底剥离GaN薄膜,由于薄膜干涉,GaN显现出彩虹色。这项技术将为柔性电子设备和晶圆的再利用铺平道路。(图片来源:Wei Kong和Kuan Qiao)

新技术的详细情况在Nature Materials(“polarity governs atomic interaction through two-dimensional materials”)中报道了。除了Kim以外,论文的合着者包括麻省理工学院的Wei Kong Huashan Li Kuan Qiao Yunjo Kim Kyusang Lee Doyoon Lee Tom Osadchy Richard Molnar Yang Yu Sang-hoon Bae Yang Shao-Horn Jeffrey Grossman,和中山大学,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和他的同事设计了一种方法,使用石墨烯制造昂贵的半导体材料的“副本” - 石墨烯是一种原子级薄的碳原子,排列成六边形的网状结构。他们发现,当石墨烯堆叠在纯净、昂贵的半导体晶圆(如砷化镓)上时,镓和砷的原子流过石墨烯,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,这些原子聚集成底层半导体晶片的精确的单晶模式,构成一种精确的副本,然后可以容易地从石墨烯层上剥离。

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

在他们报告了第一批结果后不久,该研究团队想知道这种技术是不是可用于复制其他半导体材料。他们试图将远程外延应用到硅,以及锗 - 两种便宜的半导体 - 但他们发现当这些原子流过石墨烯时,它们无法与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,阻止了硅和锗原子“看到”另外一侧的原子。

碰巧的是,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,这意味着它们没有极性。

“这给了我们一个暗示,” Kim说。

或许,该团队推断,如果原子有一些离子电荷,原子之间只能通过石墨烯相互作用。例如,砷化镓,与砷的正电荷相比,镓在界面处具有负电荷。这类电荷差异或极性可能有助于原子通过石墨烯相互作用,就像石墨烯是透明的一样,并复制底层的原子模式。

“我们发现,通过石墨烯的相互作用是由原子的极性决定的。对最强的离子键合材料,它们乃至可以通过三层石墨烯相互作用,“Kim说。“这类似于两块磁铁相互吸引,即使中间有一张薄纸。”

异性相吸

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)来测试他们的假定。

他们发现,极性程度越大,原子相互作用越强,乃至在某些情况下,通过多层石墨烯。他们能够生产的每种薄膜都非常柔韧,且只有几十到几百纳米厚。

研究小组发现,原子相互作用的物资也很重要。除了石墨烯之外,他们还尝试了6方氮化硼(hBN)作为中间层,这类材料原子结构类似于石墨烯,具有类似聚四氟乙烯的质量,使得覆盖材料在复制后可以轻松剥离。

但是,hBN由带相反电荷的硼和氮原子制成,在材料本身内产生了极性。在他们的实验中,研究人员发现,流过hBN的任何原子,即使它们本身都是高度极化的,也不能完全与它们下层的晶片相互作用,这表明感兴趣的原子和中间材料的原子的极性决定了原子是不是将相互作用并构成原始半导体晶片的副本。

“现在我们真正理解了原子通过石墨烯相互作用的规则,” Kim说。

他说,有了这类新的理解,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。一旦他们取得或制造由相同元件制成的主晶圆,他们就可以运用该团队的远程外延技术来制作原始晶圆的多个精确副本。

“人们大多使用硅晶片,因为它们很便宜,” Kim说。“现在,我们的方法开辟了一种使用更高性能的非硅材料的方法。您可以购买一个昂贵的晶圆,然后1遍又一遍地复制,并不断重复使用晶圆。现在,这项技术的材料库已完全扩大了。”

Kim假想,远程外延现在可以利用各种先前独特的半导体材料制造超薄柔性薄膜 - 只要这些材料是由具有一定极性的原子构成的。这类超薄薄膜可以堆叠在一起,一个在另一个上面,构成微小、柔韧、多功能的装备,如可穿着传感器、柔性太阳能电池、乃至在遥远的未来,“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,我们需要由更好的材料制成的低功耗、高灵敏度的计算和传感设备,”Kim说。“这项[研究]为这些设备开辟了道路。”

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