新技術為特殊材料製造柔性電子器件開闢了路徑
今天絕大多數計算設備都是由硅製成的，硅是地球上第二豐富的元素，僅次於氧氣。硅可以在岩石、粘土、沙子和土壤中以各種形式存在。雖然它不是地球上存在的最好的半導體材料，但它是目前為止最容易獲得的材料。因此，硅是大多數電子設備中使用的主要材料，包括感測器，太陽能電池以及我們的計算機和智能手機中的集成電路。
現在，麻省理工學院的工程師們已經開發出一種技術來製造由除硅以外的一系列特殊材料製成的超薄半導體薄膜。為了展示他們的技術，研究人員製造了由砷化鎵，氮化鎵和氟化鋰製成的柔性薄膜 - 這些材料展現的性能比硅更好，但迄今為止，在功能設備中生產柔性薄膜的成本過於昂貴。
研究人員表示，這項新技術為製造由半導體元件的任意組合製成的柔性電子元件提供了一種經濟有效的方法，這樣的柔性電子元件可以比目前的硅基器件性能更好。
「我們已經開發了一種方法，可以用除硅之外的許多不同的材料系統製造柔性電子器件，」 機械工程與材料科學與工程系1947年職業發展副教授Jeehwan Kim說。 Kim認為該技術可用於製造低成本，高性能的設備，如柔性太陽能電池、可穿戴計算機和感測器。
麻省理工學院的研究人員設計了一種通過二維材料在GaN基底上生長單晶GaN薄膜的方法。然後通過柔性基底剝離GaN薄膜，由於薄膜干涉，GaN顯現出彩虹色。這項技術將為柔性電子設備和晶圓的再利用鋪平道路。（圖片來源：Wei Kong和Kuan Qiao）
新技術的詳細情況在Nature Materials（「Polarity governs atomic interaction through two-dimensional materials」）中報道了。除了Kim之外，論文的合著者包括麻省理工學院的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，以及中山大學，弗吉尼亞大學，德克薩斯大學達拉斯分校，美國海軍研究實驗室，俄亥俄州立大學和喬治亞理工學院的研究人員。
2017年，Kim和他的同事設計了一種方法，使用石墨烯製造昂貴的半導體材料的「副本」 - 石墨烯是一種原子級薄的碳原子，排列成六邊形的網狀結構。他們發現，當石墨烯堆疊在純凈、昂貴的半導體晶圓（如砷化鎵）上時，鎵和砷的原子流過石墨烯，似乎以某種方式與下面的原子層相互作用，就好像中間石墨烯是看不見的或透明的。結果，這些原子聚集成底層半導體晶片的精確的單晶模式，形成一種精確的副本，然後可以容易地從石墨烯層上剝離。
這種技術被他們稱之為「遠程外延」，它提供了一種經濟實惠的方法來製造多個砷化鎵薄膜，僅僅使用一個昂貴的底層晶片。
在他們報告了第一批結果後不久，該研究團隊想知道這種技術是否可用於複製其他半導體材料。他們試圖將遠程外延應用到硅，以及鍺 - 兩種廉價的半導體 - 但他們發現當這些原子流過石墨烯時，它們無法與各自的下層相互作用。就像以前透明的石墨烯突然變得不透明一樣，阻止了硅和鍺原子「看到」另一側的原子。
碰巧的是，硅和鍺是存在於元素周期表的同一組內的兩個元素。具體而言，這兩個元素屬於第四組，一類離子中性的材料，這意味著它們沒有極性。
「這給了我們一個暗示，」 Kim說。
也許，該團隊推斷，如果原子有一些離子電荷，原子之間只能通過石墨烯相互作用。例如，砷化鎵，與砷的正電荷相比，鎵在界面處具有負電荷。這種電荷差異或極性可能有助於原子通過石墨烯相互作用，就像石墨烯是透明的一樣，並複製底層的原子模式。
「我們發現，通過石墨烯的相互作用是由原子的極性決定的。對於最強的離子鍵合材料，它們甚至可以通過三層石墨烯相互作用，「Kim說。「這類似於兩塊磁鐵相互吸引，即使中間有一張薄紙。」
異性相吸
研究人員通過使用遠程外延來複制具有不同極性的半導體材料（從中性硅和鍺到輕微極化的砷化鎵，最後是高度極化的氟化鋰 - 一種比硅更好，更昂貴的半導體）來測試他們的假設。
他們發現，極性程度越大，原子相互作用越強，甚至在某些情況下，通過多層石墨烯。他們能夠生產的每種薄膜都非常柔韌，且只有幾十到幾百納米厚。
研究小組發現，原子相互作用的物質也很重要。除了石墨烯之外，他們還嘗試了六方氮化硼（hBN）作為中間層，這種材料原子結構類似於石墨烯，具有類似聚四氟乙烯的質量，使得覆蓋材料在複製後可以輕鬆剝離。
然而，hBN由帶相反電荷的硼和氮原子製成，在材料本身內產生了極性。在他們的實驗中，研究人員發現，流過hBN的任何原子，即使它們本身都是高度極化的，也不能完全與它們下層的晶片相互作用，這表明感興趣的原子和中間材料的原子的極性決定了原子是否將相互作用並形成原始半導體晶片的副本。
「現在我們真正理解了原子通過石墨烯相互作用的規則，」 Kim說。
他說，有了這種新的理解，研究人員現在可以簡單地查看周期表並選擇兩個相反電荷的元素。一旦他們獲得或製造由相同元件製成的主晶圓，他們就可以應用該團隊的遠程外延技術來製作原始晶圓的多個精確副本。
「人們大多使用硅晶片，因為它們很便宜，」 Kim說。「現在，我們的方法開闢了一種使用更高性能的非硅材料的方法。您可以購買一個昂貴的晶圓，然後一遍又一遍地複製，並不斷重複使用晶圓。現在，這項技術的材料庫已經完全擴展了。」
Kim設想，遠程外延現在可以利用各種先前獨特的半導體材料製造超薄柔性薄膜 - 只要這些材料是由具有一定極性的原子構成的。這種超薄薄膜可以堆疊在一起，一個在另一個上面，形成微小、柔韌、多功能的設備，如可穿戴感測器、柔性太陽能電池、甚至在遙遠的未來，「連接到你皮膚的手機」。
「在智能城市，我們可能希望在任何地方放置小型計算機，我們需要由更好的材料製成的低功耗、高靈敏度的計算和感測設備，」Kim說。「這項[研究]為這些設備開闢了道路。」
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