可見不可見的石墨烯可以制備各種非硅半導(dǎo)體材料？

目前，絕大多數(shù)的計算機(jī)設(shè)備均是由硅材料制備而來。硅元素是地球上既氧元素之后，儲量第二豐富的元素。它以各種不同的形式，廣泛存在于巖石、砂礫以及塵土之中。硅雖然不是最好的半導(dǎo)體材料，但它是迄今最容易獲取的半導(dǎo)體材料。由此，硅材料在電子器件領(lǐng)域占據(jù)主要地位，比如傳感器、太陽能電池以及集成電路等。

砷化鎵、氮化鎵以及氟化鋰等材料的性能勝過硅材料，但是目前用它們制備功能器件，成本仍十分高昂。而現(xiàn)在，MIT 的研究人員開發(fā)了一種新技術(shù)，可制備多種超薄的非硅半導(dǎo)體薄膜，比如砷化鎵、氮化鎵以及氟化鋰柔性薄膜。研究人員表示，利用該技術(shù)，可制備任意半導(dǎo)體元素組合的柔性電子器件，并且成本低。

MIT 機(jī)械工程系、材料科學(xué)與工程系的助理教授 Jeehwan Kim 表示，他們開創(chuàng)了一種制備柔性電子器件的新方式，可利用多種不同的非硅材料體系。他認(rèn)為該方法可用于制備低成本、高性能的器件，比如柔性太陽能電池以及可穿戴式計算機(jī)和傳感器等。 10 月 8 日，該技術(shù)相關(guān)的詳細(xì)信息發(fā)表在《Nature Materials》期刊上。該項研究得到了美國國防高級研究計劃局、能源部、美國空軍實驗室、LG 電子、Amore Pacific、LAM Research 以及 ADI 公司的部分支持。

可見、又不可見的石墨烯?

2017 年，Kim 團(tuán)隊發(fā)明了一種利用石墨烯(只有一個原子厚, 碳原子組成六角型呈蜂巢晶格)，“復(fù)制”昂貴半導(dǎo)體材料的方法。

他們發(fā)現(xiàn)，把石墨烯堆疊在純凈且昂貴的半導(dǎo)體材料晶片上(比如砷化鎵)，鎵、砷原子會“涌出”到石墨烯層上繼續(xù)生長。它們似乎與石墨烯層下面的原子層相互作用，就好像中間的石墨烯是隱形的、透明的。結(jié)果，石墨烯上層的這些原子就組裝成與底部半導(dǎo)體晶片相同單晶圖案的薄膜，形成了一個精確的“副本”，并且可以很容易地從石墨層上剝離下來。

他們把這項技術(shù)稱之為“遠(yuǎn)程外延”(remote epitaxy)，通過該技術(shù)，可利用同一個昂貴的晶片，制備出多個砷化鎵薄膜，利于降低制備成本。

在此之后，研究團(tuán)隊利用“遠(yuǎn)程外延”，嘗試制備價格低廉的硅和鍺半導(dǎo)體。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅和鍺原子“流過”石墨烯，并不能與石墨烯下方相應(yīng)的襯底產(chǎn)生作用。這就好像原本透明的石墨烯，突然變得不透明了，阻止硅和鍺原子“看到”另一面的原子。 正巧，硅元素和鍺元素在元素周期表中同屬第四主族。而第四主族材料呈離子中性，也就是說沒有極性。Kim 表示，“這給了我們提示”。

研究團(tuán)隊分析，可能只有原子帶有一些離子電荷時，才能透過石墨烯相互作用。比如砷化鎵，在界面層，鎵帶負(fù)電荷，而砷帶正電荷。正是電荷或極性的不同，才使得它們透過石墨烯產(chǎn)生相互作用，并復(fù)制底層的原子圖案，就好像石墨烯是透明的。

Kim 表示，“透過石墨烯的相互作用取決于原子的極性。對于強(qiáng)離子鍵合材料，即便是隔著三個石墨烯層，他們也可以相互作用。這就如同兩個磁極，即便隔著一張薄紙，也可以相互吸引。”

異性相吸

為了驗證實驗設(shè)想，研究人員復(fù)制了不同極性程度的半導(dǎo)體材料，從中性的硅和鍺，到極性較弱的砷化鎵，再到極性較強(qiáng)的氟化鋰。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，極性越強(qiáng)，原子間相互作用越強(qiáng)，即便是透過幾個單層石墨烯。他們制備的薄膜均是柔性的，且厚度只有幾十到幾百納米。

研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，原子透過哪些材料(中間層)，也是有影響的。除了石墨烯，他們嘗試?yán)昧降?hBN)作為中間層。hBN 與石墨烯的原子排列圖案相同，并且具有類似于 Teflon 的性質(zhì)，使得堆疊在其上方的材料可以很容易地剝離下來。

但是，hBN 是由電性相反的硼和氮原子組成，因此材料本身就有了極性。實驗發(fā)現(xiàn)，任何“流過”hBN 的原子，即使自身具備較強(qiáng)的極性，也無法與底層的晶片相互作用。這表明，目標(biāo)半導(dǎo)體材料和中間層材料的原子極性共同決定了原子間是否會相互作用，是否會形成原始半導(dǎo)體晶片的“副本”。

Kim 表示，“現(xiàn)在，我們真正理解了原子透過石墨烯進(jìn)行相互作用的規(guī)則。”根據(jù)這一新發(fā)現(xiàn)，研究人員可以從元素周期表中任意選取兩種相對極性的元素，只要能夠制備出“母晶片”，那么就可以利用“遠(yuǎn)程外延”技術(shù)制備出多個副本。

Kim 表示，“硅晶片是當(dāng)前的主流，主要因為它們價格便宜。現(xiàn)在，我們開辟了一條新路徑，制備高性能的非硅材料。你只需購買一個昂貴的晶片，就可以重復(fù)利用晶片，不斷地進(jìn)行復(fù)制。并且，這項技術(shù)的材料庫是完全可擴(kuò)展的。”

Kim 認(rèn)為“遠(yuǎn)程外延”技術(shù)有望利用各種特殊的半導(dǎo)體材料，制備超薄的柔性薄膜，只要這些材料的原子具有一定的極性。這些超薄膜可堆疊起來，制備多功能的超薄柔性器件，比如可穿戴傳感器、柔性太陽能電池，甚至是可貼在皮膚上的手機(jī)。

要在城市的各個角落放置很多小型計算機(jī)，那么就需要低功耗、高靈敏的計算和傳感器件。這就需要由性能更優(yōu)的材料。他們的研究則為制備這些器件開辟了路徑。