麻省理工學院的研究人員發現石墨烯用于制備各種非硅半導體材料

麻省理工學院的研究人員發現石墨烯用于制備各種非硅半導體材料

目前，絕大多數的計算機設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，硅不是最好的半導體材料，但它是迄今為止最容易獲得的，因此硅材料占據了主要位置。在電子設備領域，如傳感器、太陽能電池和集成電路。

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。現在，研究人員開發出一種新的技術來制備各種超薄非硅半導體薄膜，如砷化鎵、氮化鎵和鋰。氟化物柔性薄膜。研究人員說，這種技術可以制造出任意半導體元件組合的柔性電子器件，而且成本低。

機械工程系和材料科學與工程系的助理教授Jeehwan Kim說，他們開創了一種利用各種非硅材料系統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，如柔性太陽能電池、可穿戴計算機和傳感器。有關這項技術的詳細信息發表在10月8日出版的《自然材料》雜志上。這項研究得到了美國國防部高級研究計劃局、能源部、空軍實驗室、LG電子公司、非晶體學公司、LAMResearch和ADI。

2017年，金的研究小組發明了一種方法，利用只有一個原子厚的碳原子六邊形蜂窩晶格來復制昂貴的半導體材料。

他們發現，當把鎵和砷原子堆在純凈昂貴的半導體晶片（如砷化鎵）上時，它們會向石墨烯層傾瀉并繼續生長。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和透明的。結果，這些原子在石墨烯的上層被組裝成與底部半導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。

他們稱這種技術為遠外延，通過它可以用同一塊昂貴的晶圓來制備多個砷化鎵薄膜，這有助于降低制備成本。

此后，研究小組試圖利用遠外延技術制備低成本的硅和鍺半導體。結果表明，當硅和鍺原子流過石墨烯時，它們不會與石墨烯下方的相應襯底發生相互作用，就像透明的石墨烯一樣，突然變得不透明，阻止了硅和細菌的生長。從原子的另一面看去，我們可以發現，硅和鍺屬于元素周期表中的第四個主族，第四個主族材料是離子中性的，也就是說，沒有極性，金說，這給了我們一個提示。

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

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

為了驗證實驗假設，研究人員復制了具有不同極性水平的半導體材料，從中性硅和鍺到弱砷化鎵，再到強極性氟化鋰。

研究發現，極性越強，原子間的相互作用就越強，即使是在幾個單層石墨烯中，它們的薄膜也很柔韌，只有數十到數百納米厚。

研究小組還發現，原子通過的材料（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，發現任何流經HBN的原子即使極性很強，也不能與下伏晶圓相互作用，這表明目標半導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，以及是否會形成原始半導體晶片的復制品。

金說，現在我們真的了解了石墨烯原子間相互作用的規律，根據這一新發現，研究人員可以任意地從元素周期表中選擇兩個相對極性的元素。只要能夠制備出母晶圓，就可以通過遠程外延技術制備出多個拷貝。

Kim說硅片是主流，因為它們很便宜。現在，我們已經開辟了一種制備高性能非硅材料的新方法。你只需要買一個昂貴的芯片，然后你就可以繼續重復使用和復制它。而且，這種技術的材料庫是完全可擴展的。

金認為，只要這些材料的原子具有一定的極性，遠程外延就有可能用各種特殊的半導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、柔性太陽能電池、可移動式太陽能電池等。甚至可以連在皮膚上的手機。

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

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