今天絕大多數(shù)計算設(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、太陽能電池、計算機、智能手機等大多數(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，這項新技術(shù)提供了一種更為經(jīng)濟有效的方法，比目前的硅基器件的表現(xiàn)更好。
“我們已開辟出一條新途徑，能用許多不同于硅的材料制造柔性電子設(shè)備。”機械工程、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，如柔性太陽能電池、可穿戴計算機和傳感器。
10月8日，這項新技術(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，以及來自中山大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)、德克薩斯大學(xué)達拉斯分校、美國海軍研究實驗室、俄亥俄州立大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的研究人員，并得到了美國國防高級研究計劃局、美國能源部、美國空軍實驗室、LG電子、愛茉莉太平洋集團、泛林集團和ADI公司的部分支持。
2017年，Kim及其同事采用石墨烯設(shè)計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石墨烯堆時，這些原子似乎以某種方式與下面的原子層進行交互，中間的石墨烯似乎是不可見或透明的。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，形成了一個精確的“副本”，并可以輕易地從石墨烯層上剝落下來。
他們將這種技術(shù)稱為“遠程外延”，提供了一種僅使用一個昂貴下層晶圓，就能制造多層砷化鎵薄膜的低成本方案。
在第一批結(jié)果報告出來后不久，該團隊就想知道這一技術(shù)是否可用于復(fù)制其他半導(dǎo)體材料。他們試圖將“遠程外延”應(yīng)用于硅和鍺這兩種廉價的半導(dǎo)體，但是他們發(fā)現(xiàn)，讓這些原子從石墨烯上流過時，它們無法與各自的下層進行交互，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。
實際上，硅和鍺是存在于元素周期表的同一組內(nèi)的兩個元素。具體而言，這兩個元素屬于第四組，此類材料是離子中性的，沒有極性。
“這給了我們一個提示。”Kim說。該團隊推斷，也許原子只有通過某種離子電荷，才能透過石墨烯相互作用。例如，在砷化鎵的案例中，在界面上，砷具有正電荷，鎵具有負電荷。這種電荷或極性的差異，可能有助于原子通過石墨烯相互作用，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)，透過石墨烯的交互取決于原子的極性。對于最強離子鍵材料，它們甚至可以通過三層石墨烯相互作用。”Kim說。“它與兩種磁鐵的吸引方式相似，即使是一張薄紙。”
為了測試他們的假設(shè)，研究人員們采用遠程外延法復(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，甚至在某些情況下能夠通過多片石墨烯。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，他們實驗了六方氮化硼（HBN）中間層，一種類似于石墨烯原子圖案的材料，并具有類似特氟龍的品質(zhì)，在復(fù)制時，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。在他們的實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，流過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石墨烯相互作用的規(guī)則。”Kim說。
他表示，通過這種新的規(guī)則，研究人員現(xiàn)在可以簡單地查看周期表，并選擇兩個相反電荷的元素。一旦他們通過相同的元素獲取或制造主晶圓，他們就可以使用該團隊的遠程外延技術(shù)來制作原始晶圓的多層精確副本。
“人們大多使用硅片，因為它們很便宜。”Kim說。“現(xiàn)在，我們的技術(shù)開辟了一種使用更高性能非硅材料的方法。你可以購買一個昂貴的晶圓，并一遍又一遍地復(fù)制它，不斷重復(fù)使用。現(xiàn)在，這項技術(shù)的材料庫已經(jīng)完全擴展。”
Kim設(shè)想，遠程外延現(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、柔性太陽能電池，甚至在遙遠的未來，“手機可以貼到你的皮膚上。”
“在智能城市，我們希望在任何地方放置小型計算機，這就需要由更好材料制成的低功耗、高靈敏的計算和傳感設(shè)備。”Kim說。“這項研究為這些設(shè)備開辟了道路。”