取代硅？新方案採用特殊材料製作柔性電子器件！
背景
如今，絕大多數的計算設備都是由硅製成。硅是地球上含量第二豐富的元素，僅次於氧。硅以各種形式存在於岩石、粘土、沙礫和土壤中。雖然它並不是地球上最佳的半導體材料，但卻是最容易獲取的。因此，在感測器、太陽能電池、以及計算機與智能手機中的集成電路等大多數電子設備中，硅是佔主導地位的材料。
經過鏡面精加工的硅晶圓（圖片來源：維基百科）
創新
近日，美國麻省理工學院的工程師們開發出一種新技術，採用一批特殊的材料，取代硅，製造出超薄的半導體薄膜。為了演示他們研發的技術，研究人員製造出了由砷化鎵、氮化鎵和氟化鋰材料組成的柔性薄膜，這些材料的性能比硅更好，但是迄今為止，用這些材料製造功能設備，昂貴到讓人望而卻步的程度。
（圖片來源：Wei Kong 和 Kuan Qiao）
研究人員稱，這項技術提供了一種低成本方案，能製造出由任何半導體元素組合而成的柔性電子器件，比現有硅基設備的性能更佳。
機械工程、材料科學與工程系副教授 Jeehwan Kim 表示：「我們已經開闢了一條通過許多其他不同材料系統（並不是硅）製造柔性電子設備的途徑。」 Kim 希望這項技術未來可用於製造低成本、高性能的設備，例如柔性太陽能電池、可穿戴計算機與感測器。
10月8日，這項新技術的細節報道在《自然材料（Nature Materials）》期刊上。這項研究得到了美國國防高級研究計劃局、能源部、空軍研究實驗室、LG電子、愛茉莉太平洋集團、泛林集團以及ADI公司的部分支持。
技術
2017年，Kim 及其同事們採用石墨烯（由原子薄度的碳原子薄片組成的二維蜂窩狀結構），設計出一種製造這種昂貴的半導體材料的「副本」的方案。筆者之前介紹過這一方案，相關文章標題為：《晶圓之母？石墨烯"複製機器"，降低晶圓製造成本！》。
他們發現，當將石墨烯堆疊在純凈、昂貴的半導體晶圓材料例如砷化鎵上，然後讓鎵原子和砷原子從石墨烯堆上流過，這些原子似乎通過某種方式與下面原子層進行交互，似乎中間的石墨烯是不可見的或者透明的。結果，這些原子集合到下方半導體晶圓的精密的單晶圖案中，形成了一個精確的「副本」，然後可以輕易地從石墨烯層上剝落下來。
（圖片來源: Jose-Luis Olivares/MIT）
他們稱這項技術為「遠程外延」，它提供了一種製造砷化鎵多層膜的低成本方案，只使用了一片昂貴的下層晶圓。
在報告了首個成果之後，團隊在考慮他們的技術是否可用於複製其他的半導體材料。他們嘗試將遠程外延技術應用到硅和鍺，兩種廉價的半導體材料，但是卻發現他們讓這些原子從石墨烯上流過時，它們無法與它們各自的下層進行交互。比方說，石墨烯之前是透明的，突然變得不透明，阻擋硅原子和鍺原子「看到」另外一端的原子。
硅與鍺，碰巧是元素周期表中同一主族的兩種元素。特別的地方是，兩種元素屬於第四主簇，此類材料是離子中性的，意味著他們沒有極性。
Kim 表示：「它給了我們一個提示。」
團隊認為：也許只有原子具有一些離子電荷時，才能透過石墨烯進行相互作用。例如，在砷化鎵例子中，在界面上，鎵具有負電荷，而砷具有正電荷。這種電荷或極性的差異，將幫助原子透過石墨烯進行相互作用，如同石墨烯透明一般，從而去複製底層的圖案。
Kim 表示：「我們發現，透過石墨烯的相互作用卻決於原子的極性。對於最強離子鍵的材料，他們甚至可透過三層石墨烯進行相互作用，類似於兩個磁體相互吸引的方式，這種吸引甚至可以透過一薄層的紙。」
為了測試了他們的假設，研究人員們採用遠程外延法，複製具有不同極性的半導體材料，從中性硅和鍺，再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）。
他們發現，極化的程度越深，原子的相互作用就越強，甚至在一些案例中，可以透過多層石墨烯片。他們能生產的每種薄膜都是柔性的，厚度差不多僅為幾十納米到幾百納米。
團隊發現，原子透過哪種材料進行相互作用也很重要。除了石墨烯，他們實驗了六方氮化硼（hBN）中間層，一種類似於石墨烯原子圖案的材料，並具有類似特氟龍的品質，在複製時，堆疊在其上方的材料可以被很容易地剝離。
然而，六方氮化硼是由電性相反的硼和氮原子組成，會在材料本身內生成一種極性。在他們的實驗中，研究人員發現，任何流過六方氮化硼的原子，即使它們本身是具有高度極性的，也不能與它們下層的晶圓完全交互。這也表明，感興趣的原子和中間材料的極性，都決定了原子是否會進行相互作用，從而形成原始半導體晶圓的副本。
Kim 表示：「現在，我們真正地理解到原子透過石墨烯進行相互作用的規則。
他說，通過這一新認知，研究人員現在可以簡單地查看元素周期表，選擇電荷相反的兩個元素。一旦他們通過同樣的元素，獲取或者製造出主要的晶圓，然後就可以採用團隊的遠程外延技術製造原始晶圓的多層精準副本。
價值
Kim 表示：「人們主要採用硅晶圓，是因為它們廉價。現在，我們的方案打開了一條途徑，採用了表現更好的非硅材料。你可以僅購買了一個昂貴的晶圓，並一次又一次地複製它，不斷地重用晶圓。現在，這項技術的材料庫是完全可擴展的。」
Kim 希望，遠程外延技術現在可利用之前被認為是特殊的一系列半導體材料，製造出超薄的柔性膜，只要這些特殊材料是由具有一定程度極性的原子組成。這種超薄膜有望通過相互層疊，製造出微小、柔性、多功能的設備，例如可穿戴感測器、柔性太陽能電池，甚至在遙遠的未來，「手機將可以貼到皮膚上。」
Kim 表示：「在智慧城市中，我們想要讓小型計算機變得無處不在，但是這需要通過更好的材料製成低功耗、高靈敏度的計算與感知設備。這項研究將為通往這些設備開闢道路。」
關鍵字
半導體、石墨烯、柔性電子
參考資料
【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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