MIT研发新方法，用特殊材料制作柔性电子

今天绝大多数计算设备都是由硅制成的，后者仅次于氧气，是地球上第二大含氧元素，以各种形式存在于岩石、粘土、沙子和土壤中。在地球上，虽然硅不是最好的半导体材料，但却是最容易获得的。因此，在传感器、太阳能电池、计算机、智能手机等大多数电子设备中，硅都是占主导地位的材料。

现在，麻省理工学院的工程师已经开发出一种由特殊材料制成的超薄半导体薄膜。他们制造了由砷化镓、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。但是，到目前为止这些材料在功能器件的应用中生产成本过高。

研究人员表示，在制造由半导体元件组合制成的柔性电子元件上，这项新技术提供了一种更为经济有效的方法，比目前的硅基器件的表现更好。

“我们已开辟出一条新途径，能用许多不同于硅的材料制造柔性电子设备。”机械工程、材料科学与工程系副教授 Jeehwan Kim 表示。他希望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。

10月8日，这项新技术的论文已刊登在《Nature Materials（自然材料）》期刊上。除了Kim之外，论文的合著者还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和Jeffrey Grossman，以及来自中山大学、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，并得到了美国国防高级研究计划局、美国能源部、美国空军实验室、LG电子、爱茉莉太平洋集团、泛林集团和ADI公司的部分支持。

2017年，Kim及其同事采用石墨烯设计出一种制造昂贵半导体材料“副本”的方案。他们发现，将石墨烯堆叠在如砷化镓等纯净、昂贵的半导体晶圆材料上，当镓原子和砷原子流过石墨烯堆时，这些原子似乎以某种方式与下面的原子层进行交互，中间的石墨烯似乎是不可见或透明的。结果，这些原子集合到下方半导体晶圆精密的单晶图案中，形成了一个精确的“副本”，并可以轻易地从石墨烯层上剥落下来。

他们将这种技术称为“远程外延”，提供了一种仅使用一个昂贵下层晶圆，就能制造多层砷化镓薄膜的低成本方案。

在第一批结果报告出来后不久，该团队就想知道这一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”应用于硅和锗这两种廉价的半导体，但是他们发现，让这些原子从石墨烯上流过时，它们无法与各自的下层进行交互，以往“透明”的石墨烯再次变得“不透明”，阻止硅和锗原子“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，此类材料是离子中性的，没有极性。

“这给了我们一个提示。”Kim说。该团队推断，也许原子只有通过某种离子电荷，才能透过石墨烯相互作用。例如，在砷化镓的案例中，在界面上，砷具有正电荷，镓具有负电荷。这种电荷或极性的差异，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，透过石墨烯的交互取决于原子的极性。对于最强离子键材料，它们甚至可以通过三层石墨烯相互作用。”Kim说。“它与两种磁铁的吸引方式相似，即使是一张薄纸。”

为了测试他们的假设，研究人员们采用远程外延法复制具有不同极性的半导体材料，从中性硅和锗，再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）。

他们发现，极化程度越深，原子相互作用越强，甚至在某些情况下能够通过多片石墨烯。他们能生产的每种薄膜都是柔性的，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，他们实验了六方氮化硼（HBN）中间层，一种类似于石墨烯原子图案的材料，并具有类似特氟龙的品质，在复制时，堆叠在其上方的材料可以被很容易地剥离。

然而，六方氮化硼是由电性相反的硼和氮原子组成，其在材料本身内就产生了极性。在他们的实验中，研究人员发现，流过六方氮化硼的任何原子，即使它们本身具有高度极性，也不能完全与它们下面的晶圆相互作用。这也表明，原子和中间材料的极性，都决定了原子是否将相互作用并形成原始半导体晶圆的副本。

“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。

他表示，通过这种新的规则，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。一旦他们通过相同的元素获取或制造主晶圆，他们就可以使用该团队的远程外延技术来制作原始晶圆的多层精确副本。

“人们大多使用硅片，因为它们很便宜。”Kim说。“现在，我们的技术开辟了一种使用更高性能非硅材料的方法。你可以购买一个昂贵的晶圆，并一遍又一遍地复制它，不断重复使用。现在，这项技术的材料库已经完全扩展。”

Kim设想，远程外延现在可以用以前那些被认为特殊的半导体材料来制成超薄柔性膜，只要这些材料是由具有一定极性的原子制成的。这种超薄薄膜可以一层一层的堆叠在一起，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，“手机可以贴到你的皮肤上。”

“在智能城市，我们希望在任何地方放置小型计算机，这就需要由更好材料制成的低功耗、高灵敏的计算和传感设备。”Kim说。“这项研究为这些设备开辟了道路。”