麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯用于制備各種非硅半導(dǎo)體材料

麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯用于制備各種非硅半導(dǎo)體材料

目前，絕大多數(shù)的計(jì)算機(jī)設(shè)備都是由硅材料制成的，硅是地球上僅次于氧的第二豐富的元素，它以各種形式廣泛存在于巖石、礫石和塵埃中，硅不是最好的半導(dǎo)體材料，但它是迄今為止最容易獲得的，因此硅材料占據(jù)了主要位置。在電子設(shè)備領(lǐng)域，如傳感器、太陽(yáng)能電池和集成電路。

砷化鎵、氮化鎵和氟化鋰比硅材料具有更好的性能，但用它們制備功能器件的成本仍然很高?，F(xiàn)在，研究人員開(kāi)發(fā)出一種新的技術(shù)來(lái)制備各種超薄非硅半導(dǎo)體薄膜，如砷化鎵、氮化鎵和鋰。氟化物柔性薄膜。研究人員說(shuō)，這種技術(shù)可以制造出任意半導(dǎo)體元件組合的柔性電子器件，而且成本低。

機(jī)械工程系和材料科學(xué)與工程系的助理教授Jeehwan Kim說(shuō)，他們開(kāi)創(chuàng)了一種利用各種非硅材料系統(tǒng)制造柔性電子器件的新方法。他相信這種方法可以用于制造低成本、高性能的DEV。冰，如柔性太陽(yáng)能電池、可穿戴計(jì)算機(jī)和傳感器。有關(guān)這項(xiàng)技術(shù)的詳細(xì)信息發(fā)表在10月8日出版的《自然材料》雜志上。這項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局、能源部、空軍實(shí)驗(yàn)室、LG電子公司、非晶體學(xué)公司、LAMResearch和ADI。

2017年，金的研究小組發(fā)明了一種方法，利用只有一個(gè)原子厚的碳原子六邊形蜂窩晶格來(lái)復(fù)制昂貴的半導(dǎo)體材料。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把鎵和砷原子堆在純凈昂貴的半導(dǎo)體晶片（如砷化鎵）上時(shí)，它們會(huì)向石墨烯層傾瀉并繼續(xù)生長(zhǎng)。它們似乎與石墨烯層下的原子層相互作用，就好像中間的石墨烯是不可見(jiàn)和透明的。結(jié)果，這些原子在石墨烯的上層被組裝成與底部半導(dǎo)體晶圓相同的單晶圖案的薄膜，形成精確的拷貝，并且可以很容易地從石墨層剝離。

他們稱這種技術(shù)為遠(yuǎn)外延，通過(guò)它可以用同一塊昂貴的晶圓來(lái)制備多個(gè)砷化鎵薄膜，這有助于降低制備成本。

此后，研究小組試圖利用遠(yuǎn)外延技術(shù)制備低成本的硅和鍺半導(dǎo)體。結(jié)果表明，當(dāng)硅和鍺原子流過(guò)石墨烯時(shí)，它們不會(huì)與石墨烯下方的相應(yīng)襯底發(fā)生相互作用，就像透明的石墨烯一樣，突然變得不透明，阻止了硅和細(xì)菌的生長(zhǎng)。從原子的另一面看去，我們可以發(fā)現(xiàn)，硅和鍺屬于元素周期表中的第四個(gè)主族，第四個(gè)主族材料是離子中性的，也就是說(shuō)，沒(méi)有極性，金說(shuō)，這給了我們一個(gè)提示。

研究小組分析說(shuō)，只有當(dāng)原子有一些離子電荷時(shí)，它們才有可能通過(guò)石墨烯相互作用。例如，砷化鎵，在界面層中，鎵帶負(fù)電荷，砷帶正電荷。正是電荷或極性的差異導(dǎo)致它們通過(guò)石墨烯相互作用，并復(fù)制了底物。像石墨烯一樣是透明的。

金說(shuō)，通過(guò)石墨烯的相互作用取決于原子的極性。對(duì)于強(qiáng)離子鍵材料，它們甚至可以在三層石墨烯之間相互作用。就像兩個(gè)磁極在一張紙上相互吸引。

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)假設(shè)，研究人員復(fù)制了具有不同極性水平的半導(dǎo)體材料，從中性硅和鍺到弱砷化鎵，再到強(qiáng)極性氟化鋰。

研究發(fā)現(xiàn)，極性越強(qiáng)，原子間的相互作用就越強(qiáng)，即使是在幾個(gè)單層石墨烯中，它們的薄膜也很柔韌，只有數(shù)十到數(shù)百納米厚。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，原子通過(guò)的材料（中間層）也有影響。除了石墨烯外，他們還嘗試使用六角氮化硼（HBN）作為中間層。HBN的原子排列模式與石墨烯相同，HBN的性質(zhì)與Teflon相似，這使得堆放在上面的材料容易剝落。

然而，HBN是由具有相反電性的硼氮原子組成，因此材料本身具有極性，發(fā)現(xiàn)任何流經(jīng)HBN的原子即使極性很強(qiáng)，也不能與下伏晶圓相互作用，這表明目標(biāo)半導(dǎo)體材料和中間層的原子極性材料一起決定原子是否相互作用，以及是否會(huì)形成原始半導(dǎo)體晶片的復(fù)制品。

金說(shuō)，現(xiàn)在我們真的了解了石墨烯原子間相互作用的規(guī)律，根據(jù)這一新發(fā)現(xiàn)，研究人員可以任意地從元素周期表中選擇兩個(gè)相對(duì)極性的元素。只要能夠制備出母晶圓，就可以通過(guò)遠(yuǎn)程外延技術(shù)制備出多個(gè)拷貝。

Kim說(shuō)硅片是主流，因?yàn)樗鼈兒鼙阋恕，F(xiàn)在，我們已經(jīng)開(kāi)辟了一種制備高性能非硅材料的新方法。你只需要買一個(gè)昂貴的芯片，然后你就可以繼續(xù)重復(fù)使用和復(fù)制它。而且，這種技術(shù)的材料庫(kù)是完全可擴(kuò)展的。

金認(rèn)為，只要這些材料的原子具有一定的極性，遠(yuǎn)程外延就有可能用各種特殊的半導(dǎo)體材料制備超薄柔性薄膜，這些超薄薄膜可以堆疊在一起，制造出多功能的超薄柔性器件，如可穿戴傳感器、柔性太陽(yáng)能電池、可移動(dòng)式太陽(yáng)能電池等。甚至可以連在皮膚上的手機(jī)。

為了在城市的每一個(gè)角落放置許多小型計(jì)算機(jī)，需要低功耗、高靈敏度的計(jì)算和傳感器組件。這需要性能更好的材料。他們的研究為這些設(shè)備的制造鋪平了道路。

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