石墨烯新發現，用來制備各種非硅半導體材料

石墨烯新發現，用來制備各種非硅半導體材料

目前，絕大多數的計算機設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體材料，但它是迄今最容易獲取的半導體材料。由此，硅材料在電子器件領域占據主要地位，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。而現在，MIT的研究人員開發了一種新技術，可制備多種超薄的非硅半導體薄膜，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，可制備任意半導體元素組合的柔性電子器件，并且成本低。

圖︱MIT研究人員利用二維材料，制備單晶復合半導體，并可以從柔性襯底上剝離。該技術可制備非硅半導體，成本低，為柔性電子器件以及晶片的重復利用奠定了基礎



MIT機械工程系、材料科學與工程系的助理教授Jeehwan Kim表示，他們開創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和傳感器等。



10月8日，該技術相關的詳細信息發表在《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團隊發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），“復制”昂貴半導體材料的方法。



他們發現，把石墨烯堆疊在純凈且昂貴的半導體材料晶片上（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。結果，石墨烯上層的這些原子就組裝成與底部半導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。



他們把這項技術稱之為“遠程外延”（remote epitaxy），通過該技術，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，研究團隊利用“遠程外延”，嘗試制備價格低廉的硅和鍺半導體。結果發現，當硅和鍺原子“流過”石墨烯，并不能與石墨烯下方相應的襯底產生作用。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生相互作用，并復制底層的原子圖案，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



為了驗證實驗設想，研究人員復制了不同極性程度的半導體材料，從中性的硅和鍺，到極性較弱的砷化鎵，再到極性較強的氟化鋰。



結果發現，極性越強，原子間相互作用越強，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。



研究團隊還發現，原子透過哪些材料（中間層），也是有影響的。除了石墨烯，他們嘗試利用六方氮化硼（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，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。實驗發現，任何“流過”hBN的原子，即使自身具備較強的極性，也無法與底層的晶片相互作用。這表明，目標半導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體晶片的“副本”。



Kim表示，“現在，我們真正理解了原子透過石墨烯進行相互作用的規則。”根據這一新發現，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“遠程外延”技術制備出多個副本。



Kim表示，“硅晶片是當前的主流，主要因為它們價格便宜。現在，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，就可以重復利用晶片，不斷地進行復制。并且，這項技術的材料庫是完全可擴展的。”



Kim認為“遠程外延”技術有望利用各種特殊的半導體材料，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。



另外，Kim表示，智慧城市的形成，需要在城市的各個角落放置很多小型計算機，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的材料。他們的研究則為制備這些器件開辟了路徑。

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