當今使用的大多數計算設備都是由硅制成的。眾所周知，硅可以在巖石、粘土、沙子和土壤中以各種形式存在，是地球上第二大含氧元素，僅次于氧氣。雖然硅不是地球上最佳的半導體材料，但它是目前最容易獲得的材料。因此，大多數電子設備中硅是主要材料，包括傳感器，太陽能電池以及計算機和智能手機中的集成電路。

    近日，麻省理工學院的研究團隊開發出了一種新技術，采用不含硅的一系列特殊材料制成的超薄半導體薄膜。研究人員利用砷化鎵、氮化鎵和氟化鋰制成了柔性薄膜，這些材料表現出比硅更好的性能，但是，到目前為止這些材料在功能器件的應用中生產成本過高。

    研究人員表示，該項新技術為制造由半導體元件組合制成的柔性電子元件提供了一種經濟有效的方法，并且可以比目前的硅基器件具有更佳的性能。

    Jeehwan Kim副教授表示：“我們已經開辟了一種方法，可以用除硅之外的材料制造柔性電子產品。 Kim認為該技術可用于制造低成本、高性能的設備，如柔性太陽能電池、可穿戴計算機和傳感器。”

    該研究成果目前已發表在Nature Materials雜志上。

    在2017年，Kim和他的同事設計了一種方法，利用石墨烯生產昂貴的半導體材料的“復制品”。石墨烯是一種原子級薄的碳原子，排列成六邊形結構。他們發現，當石墨烯堆疊在半導體材料晶圓（如砷化鎵）上時，鎵和砷的原子通過堆疊層，原子似乎以某種方式與下面的原子層相互作用，就像中間石墨烯是透明的。結果，原子排列成下面的半導體晶片的單晶圖案，形成精確的復制品，然后可以容易地從石墨烯層上剝離。

    他們將該技術稱之為“遠程外延”，僅利用一個底層晶圓來制造砷化鎵薄膜，從而提供了一種經濟實惠的方法。

    該團隊發表了他們的第一批結果后不久，又思考他們的技術是否可用于復制其他半導體材料。他們嘗試將遠程外延應用于硅與鍺兩種廉價的半導體，但發現當將這些原子流過石墨烯時，它們無法與它們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，阻止硅和鍺原子“看到”另一側的原子。

    實際上，硅和鍺在元素周期表中屬于同一組內的兩個元素。具體而言，這兩個元素屬于第四組，是一類離子中性的材料，沒有極性。

    Kim指出：“這給了我們一個暗示。”

    該團隊推斷，如果原子只有一些離子電荷，它們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于原子通過石墨烯相互作用，就像它是透明的一樣，并復制下面的原子圖案。

    Kim表示：“我們發現通過石墨烯的相互作用取決于原子的極性。對于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。這類似于兩塊磁鐵吸引的方式，即使是通過一張薄紙。”

    異性相吸

    研究人員通過遠程外延復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，最后是高度極化的氟化鋰）來證明他們的假設。

    他們發現，極性越強，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。獲得的每種薄膜都是柔韌的，只有幾十到幾百納米厚。

    此外，研究團隊發現，原子相互作用的物質也很重要。除了石墨烯之外，他們還試驗了六角形氮化硼（hBN）中間層，這種材料類似于石墨烯的原子圖案，使得覆蓋材料在復制后可以輕松剝離。

    然而，hBN由帶相反電荷的硼和氮原子制成，其材料本身會產生極性。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面的晶片相互作用，這表明原子和中間材料的極性決定了原子是否將相互作用并形成原始半導體晶片的復制結構。

    Kim稱：“現在我們真正理解了通過石墨烯存在原子相互作用的原理。”

    他說，利用該新的解釋，研究人員現在可以簡單地通過周期表選擇兩個相反電荷的元素。一旦他們獲得由相同元件制成的晶圓，他們就可以應用遠程外延技術來制作原始晶圓的多個精確復制結構。

    Kim表示：“目前大多數技術在使用硅片，因為它們很便宜。現在我們的方法開辟了一種使用性能更高的非硅材料的方法。您可以購買一個晶圓一遍又一遍地復制，并能夠繼續重復使用晶圓。”

    Kim設想遠程外延現在可以用來制造各種半導體材料制成的超薄柔性薄膜，只要這些材料是由具有一定極性的原子制成的。這種超薄薄膜可以堆疊在一起，以生產微小，靈活的多功能設備，如可穿戴傳感器、柔性太陽能電池，甚至未來的“連接皮膚的手機”。

    Kim表示：“我們希望小型計算機能夠普遍化，這需要由更好的材料制成低功耗，高靈敏度的計算和傳感設備，而這項研究為這些設備開辟了道路。”

    該研究還得到了國防高級研究計劃局、能源部、空軍研究實驗室、LG電子、愛茉莉太平洋、LAM研究和ADI公司的支持。

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責任編輯：殷鵬飛

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