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MIT 研究人员新发现:利用石墨烯,制备各种非硅半导体材料

2018-10-13
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目前,绝大多数的计算机设备均是由硅材料制备而来。硅元素是地球上既氧元素之后,储量第二丰富的元素。它以各种不同的形式,广泛存在于岩石、砂砾以及尘土之中。硅虽然不是最好的半导体材料,但它是迄今最容易获取的半导体材料。由此,硅材料在电子器件领域占据主要地位,比如传感器、太阳能电池以及集成电路等。


砷化镓、氮化镓以及氟化锂等材料的性能胜过硅材料,但是目前用它们制备功能器件,成本仍十分高昂。而现在,MIT 的研究人员开发了一种新技术,可制备多种超薄的非硅半导体薄膜,比如砷化镓、氮化镓以及氟化锂柔性薄膜。研究人员表示,利用该技术,可制备任意半导体元素组合的柔性电子器件,并且成本低。

 

图︱MIT 研究人员利用二维材料,制备单晶复合半导体,并可以从柔性衬底上剥离。该技术可制备非硅半导体,成本低,为柔性电子器件以及晶片的重复利用奠定了基础(来源:Wei Kong and Kuan Qiao)


MIT 机械工程系、材料科学与工程系的助理教授 Jeehwan Kim 表示,他们开创了一种制备柔性电子器件的新方式,可利用多种不同的非硅材料体系。他认为该方法可用于制备低成本、高性能的器件,比如柔性太阳能电池以及可穿戴式计算机和传感器等。


10 月 8 日,该技术相关的详细信息发表在《Nature Materials》期刊上。该项研究得到了美国国防高级研究计划局、能源部、美国空军实验室、LG 电子、Amore Pacific、LAM Research 以及 ADI 公司的部分支持。


可见、又不可见的石墨烯?


2017 年,Kim 团队发明了一种利用石墨烯(只有一个原子厚, 碳原子组成六角型呈蜂巢晶格),“复制”昂贵半导体材料的方法。


他们发现,把石墨烯堆叠在纯净且昂贵的半导体材料晶片上(比如砷化镓),镓、砷原子会“涌出”到石墨烯层上继续生长。它们似乎与石墨烯层下面的原子层相互作用,就好像中间的石墨烯是隐形的、透明的。结果,石墨烯上层的这些原子就组装成与底部半导体晶片相同单晶图案的薄膜,形成了一个精确的“副本”,并且可以很容易地从石墨层上剥离下来。


他们把这项技术称之为“远程外延”(remote epitaxy),通过该技术,可利用同一个昂贵的晶片,制备出多个砷化镓薄膜,利于降低制备成本。


在此之后,研究团队利用“远程外延”,尝试制备价格低廉的硅和锗半导体。结果发现,当硅和锗原子“流过”石墨烯,并不能与石墨烯下方相应的衬底产生作用。这就好像原本透明的石墨烯,突然变得不透明了,阻止硅和锗原子“看到”另一面的原子。


正巧,硅元素和锗元素在元素周期表中同属第四主族。而第四主族材料呈离子中性,也就是说没有极性。Kim 表示,“这给了我们提示”。


研究团队分析,可能只有原子带有一些离子电荷时,才能透过石墨烯相互作用。比如砷化镓,在界面层,镓带负电荷,而砷带正电荷。正是电荷或极性的不同,才使得它们透过石墨烯产生相互作用,并复制底层的原子图案,就好像石墨烯是透明的。


Kim 表示,“透过石墨烯的相互作用取决于原子的极性。对于强离子键合材料,即便是隔着三个石墨烯层,他们也可以相互作用。这就如同两个磁极,即便隔着一张薄纸,也可以相互吸引。”


异性相吸


为了验证实验设想,研究人员复制了不同极性程度的半导体材料,从中性的硅和锗,到极性较弱的砷化镓,再到极性较强的氟化锂。


结果发现,极性越强,原子间相互作用越强,即便是透过几个单层石墨烯。他们制备的薄膜均是柔性的,且厚度只有几十到几百纳米。


研究团队还发现,原子透过哪些材料(中间层),也是有影响的。除了石墨烯,他们尝试利用六方氮化硼(hBN)作为中间层。hBN 与石墨烯的原子排列图案相同,并且具有类似于 Teflon 的性质,使得堆叠在其上方的材料可以很容易地剥离下来。


但是,hBN 是由电性相反的硼和氮原子组成,因此材料本身就有了极性。实验发现,任何“流过”hBN 的原子,即使自身具备较强的极性,也无法与底层的晶片相互作用。这表明,目标半导体材料和中间层材料的原子极性共同决定了原子间是否会相互作用,是否会形成原始半导体晶片的“副本”。


Kim 表示,“现在,我们真正理解了原子透过石墨烯进行相互作用的规则。”根据这一新发现,研究人员可以从元素周期表中任意选取两种相对极性的元素,只要能够制备出“母晶片”,那么就可以利用“远程外延”技术制备出多个副本。


Kim 表示,“硅晶片是当前的主流,主要因为它们价格便宜。现在,我们开辟了一条新路径,制备高性能的非硅材料。你只需购买一个昂贵的晶片,就可以重复利用晶片,不断地进行复制。并且,这项技术的材料库是完全可扩展的。”


Kim 认为“远程外延”技术有望利用各种特殊的半导体材料,制备超薄的柔性薄膜,只要这些材料的原子具有一定的极性。这些超薄膜可堆叠起来,制备多功能的超薄柔性器件,比如可穿戴传感器、柔性太阳能电池,甚至是可贴在皮肤上的手机。


另外,Kim 表示,智慧城市的形成,需要在城市的各个角落放置很多小型计算机,那么就需要低功耗、高灵敏的计算和传感器件。这就需要由性能更优的材料。他们的研究则为制备这些器件开辟了路径。


-End-


编辑:maggie

参考:

http://news.mit.edu/2018/study-flexible-electronics-made-exotic-materials-1008



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