导读
近日，美国麻省理工学院的工程师们开发出一种新技术，采用一批特殊的材料，取代硅，制造出超薄的半导体薄膜。这项技术提供了一种低成本方案，能制造出由任何半导体元素组合而成的柔性电子器件，比现有硅基设备的性能更佳。
背景
如今，绝大多数的计算设备都是由硅制成。硅是地球上含量第二丰富的元素，仅次于氧。硅以各种形式存在于岩石、粘土、沙砾和土壤中。虽然它并不是地球上最佳的半导体材料，但却是最容易获取的。因此，在传感器、太阳能电池、以及计算机与智能手机中的集成电路等大多数电子设备中，硅是占主导地位的材料。
经过镜面精加工的硅晶圆（图片来源：维基百科）
创新
近日，美国麻省理工学院的工程师们开发出一种新技术，采用一批特殊的材料，取代硅，制造出超薄的半导体薄膜。为了演示他们研发的技术，研究人员制造出了由砷化镓、氮化镓和氟化锂材料组成的柔性薄膜，这些材料的性能比硅更好，但是迄今为止，用这些材料制造功能设备，昂贵到让人望而却步的程度。
（图片来源：Wei Kong 和 Kuan Qiao）
研究人员称，这项技术提供了一种低成本方案，能制造出由任何半导体元素组合而成的柔性电子器件，比现有硅基设备的性能更佳。
机械工程、材料科学与工程系副教授 Jeehwan Kim 表示：“我们已经开辟了一条通过许多其他不同材料系统（并不是硅）制造柔性电子设备的途径。” Kim 希望这项技术未来可用于制造低成本、高性能的设备，例如柔性太阳能电池、可穿戴计算机与传感器。
10月8日，这项新技术的细节报道在《自然材料（Nature Materials）》期刊上。这项研究得到了美国国防高级研究计划局、能源部、空军研究实验室、LG电子、爱茉莉太平洋集团、泛林集团以及ADI公司的部分支持。
技术
2017年，Kim 及其同事们采用石墨烯（由原子薄度的碳原子薄片组成的二维蜂窝状结构），设计出一种制造这种昂贵的半导体材料的“副本”的方案。笔者之前介绍过这一方案，相关文章标题为：《晶圆之母？石墨烯"复制机器"，降低晶圆制造成本！》。
他们发现，当将石墨烯堆叠在纯净、昂贵的半导体晶圆材料例如砷化镓上，然后让镓原子和砷原子从石墨烯堆上流过，这些原子似乎通过某种方式与下面原子层进行交互，似乎中间的石墨烯是不可见的或者透明的。结果，这些原子集合到下方半导体晶圆的精密的单晶图案中，形成了一个精确的“副本”，然后可以轻易地从石墨烯层上剥落下来。
（图片来源: Jose-Luis Olivares/MIT）
他们称这项技术为“远程外延”，它提供了一种制造砷化镓多层膜的低成本方案，只使用了一片昂贵的下层晶圆。
在报告了首个成果之后，团队在考虑他们的技术是否可用于复制其他的半导体材料。他们尝试将远程外延技术应用到硅和锗，两种廉价的半导体材料，但是却发现他们让这些原子从石墨烯上流过时，它们无法与它们各自的下层进行交互。比方说，石墨烯之前是透明的，突然变得不透明，阻挡硅原子和锗原子“看到”另外一端的原子。
硅与锗，碰巧是元素周期表中同一主族的两种元素。特别的地方是，两种元素属于第四主簇，此类材料是离子中性的，意味着他们没有极性。
Kim 表示：“它给了我们一个提示。”
团队认为：也许只有原子具有一些离子电荷时，才能透过石墨烯进行相互作用。例如，在砷化镓例子中，在界面上，镓具有负电荷，而砷具有正电荷。这种电荷或极性的差异，将帮助原子透过石墨烯进行相互作用，如同石墨烯透明一般，从而去复制底层的图案。
Kim 表示：“我们发现，透过石墨烯的相互作用却决于原子的极性。对于最强离子键的材料，他们甚至可透过三层石墨烯进行相互作用，类似于两个磁体相互吸引的方式，这种吸引甚至可以透过一薄层的纸。”
为了测试了他们的假设，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，极化的程度越深，原子的相互作用就越强，甚至在一些案例中，可以透过多层石墨烯片。他们能生产的每种薄膜都是柔性的，厚度差不多仅为几十纳米到几百纳米。
团队发现，原子透过哪种材料进行相互作用也很重要。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，会在材料本身内生成一种极性。在他们的实验中，研究人员发现，任何流过六方氮化硼的原子，即使它们本身是具有高度极性的，也不能与它们下层的晶圆完全交互。这也表明，感兴趣的原子和中间材料的极性，都决定了原子是否会进行相互作用，从而形成原始半导体晶圆的副本。
Kim 表示：“现在，我们真正地理解到原子透过石墨烯进行相互作用的规则。
他说，通过这一新认知，研究人员现在可以简单地查看元素周期表，选择电荷相反的两个元素。一旦他们通过同样的元素，获取或者制造出主要的晶圆，然后就可以采用团队的远程外延技术制造原始晶圆的多层精准副本。
价值
Kim 表示：“人们主要采用硅晶圆，是因为它们廉价。现在，我们的方案打开了一条途径，采用了表现更好的非硅材料。你可以仅购买了一个昂贵的晶圆，并一次又一次地复制它，不断地重用晶圆。现在，这项技术的材料库是完全可扩展的。”
Kim 希望，远程外延技术现在可利用之前被认为是特殊的一系列半导体材料，制造出超薄的柔性膜，只要这些特殊材料是由具有一定程度极性的原子组成。这种超薄膜有望通过相互层叠，制造出微小、柔性、多功能的设备，例如可穿戴传感器、柔性太阳能电池，甚至在遥远的未来，“手机将可以贴到皮肤上。”
Kim 表示：“在智慧城市中，我们想要让小型计算机变得无处不在，但是这需要通过更好的材料制成低功耗、高灵敏度的计算与感知设备。这项研究将为通往这些设备开辟道路。”
关键字
半导体、石墨烯、柔性电子
【1】http://news.mit.edu/2018/study-flexible-electronics-made-exotic-materials-1008
【2】Wei Kong, Huashan Li, Kuan Qiao, Yunjo Kim, Kyusang Lee, Yifan Nie, Doyoon Lee, Tom Osadchy, Richard J Molnar, D. Kurt Gaskill, Rachael L. Myers-Ward, Kevin M. Daniels, Yuewei Zhang, Suresh Sundram, Yang Yu, Sang-hoon Bae, Siddharth Rajan, Yang Shao-Horn, Kyeongjae Cho, Abdallah Ougazzaden, Jeffrey C. Grossman, Jeehwan Kim. Polarity governs atomic interaction through two-dimensional materials. Nature Materials, 2018; DOI: 10.1038/s41563-018-0176-4
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