麻省理工学院的研究人员发明了一种在氮化镓衬底上通过二维材料生长单晶氮化镓薄膜的方法。氮化镓薄膜随后被柔性基板剥离，显示出来自薄膜干涉的彩虹色。这项技术将为柔性电子器件和晶圆的再利用铺平道路。
授信人:孔伟、关桥;知识共享署名非商业无衍生品许可
如今，绝大多数计算设备都是由硅构成的，硅是地球上仅次于氧的第二大元素。硅可以在岩石、粘土、沙子和土壤中以各种形式被发现。虽然它不是地球上现存的最好的半导体材料，但它是目前最容易得到的。因此，硅是大多数电子设备中使用的主要材料，包括传感器、太阳能电池，以及计算机和智能手机中的集成电路。
现在，麻省理工学院的工程师们已经开发出一种制造超薄半导体薄膜的技术。为了演示他们的技术，研究人员制作了由砷化镓、氮化镓和氟化锂制成的柔性薄膜，这种材料比硅表现出更好的性能，但迄今为止在功能器件上的生产成本高得令人望而却步。
研究人员说，这项新技术提供了一种成本效益高的方法，可以用任何半导体元件的组合制成灵活的电子产品，比目前的硅基器件性能更好。
“我们已经开辟了一种方法，可以利用多种不同的材料系统(除了硅)来制造柔性电子产品，”1947级机械工程和材料科学与工程学系职业发展副教授金哲万(Jeehwan Kim)说。Kim设想这种技术可以用于制造低成本、高性能的设备，如柔性太阳能电池，可穿戴电脑和传感器。
今天《自然材料》杂志报道了这项新技术的细节。除了金纸的麻省理工学院的合作者包括魏,华山,Kuan俏,Yunjo Kim Kyusang Lee Doyoon李,汤姆Osadchy,理查德•莫尔纳sang hoon Bae,杨Shao-Horn,杨Yu和杰弗里•格罗斯曼与中山大学的研究人员一起,弗吉尼亚大学,德克萨斯大学达拉斯,美国海军研究实验室,俄亥俄州立大学,佐治亚理工学院。
现在你看到了，现在你看不到了
在2017年，Kim和他的同事发明了一种方法，用石墨烯制造昂贵的半导体材料的“复制品”。堆放时他们发现石墨烯的纯净,昂贵的半导体材料,如砷化镓晶片,然后流入和砷化镓堆栈的原子,原子似乎在某种程度上与底层原子层交互,如果中间石墨烯是无形的或透明的。结果，这些原子组装成底层半导体晶圆的精确的单晶模式，形成一个精确的拷贝，然后很容易从石墨烯层剥离出来。
他们称之为“远程外延”的技术，提供了一种廉价的方法来制造多个砷化镓薄膜，只需使用一个昂贵的底层晶圆。
在他们报告了第一个结果后不久，研究小组想知道他们的技术是否可以用于复制其他半导体材料。他们尝试在硅和锗(两种廉价的半导体)上应用远程外延，但发现当这些原子在石墨烯上流动时，它们无法与各自的底层相互作用。就好像以前透明的石墨烯突然变得不透明，阻止了硅原子和锗原子“看到”另一边的原子。
碰巧的是，硅和锗是元素周期表中同一组元素中的两种元素。具体来说，这两种元素属于第四组，这是一种离子中性的材料，意味着它们没有极性。
“这给了我们一个提示，”Kim说。
也许，该团队推断，原子只有在带有离子电荷的情况下，才能通过石墨烯相互作用。例如，在砷化镓的例子中，镓在界面上带负电荷，而砷带正电荷。这种电荷差异或极性可能帮助原子通过石墨烯进行相互作用，就好像石墨烯是透明的一样，并复制底层原子模式。
“我们发现通过石墨烯的相互作用是由原子的极性决定的。对于最强的离子结合材料，它们甚至可以通过三层石墨烯相互作用。“这就像两个磁铁可以吸引，即使是通过一张薄纸。”
异性相吸
研究人员利用远程外延技术复制了不同极性的半导体材料，从中性硅和锗，到微极化砷化镓，最后是高度极化的氟化锂——一种比硅更好、更贵的半导体。
他们发现，极性越大，原子间的相互作用就越强，甚至在某些情况下，通过多个石墨烯薄片。他们能生产的每一种薄膜都是有弹性的，只有几十到几百纳米厚。
研究小组发现，原子相互作用的物质也很重要。除了石墨烯外，他们还试验了一种六方氮化硼(hBN)中间层，这种材料类似于石墨烯的原子模式，具有类似于聚四氟乙烯的性质，使叠加材料在复制后很容易脱落。
然而，hBN是由相反的带电的硼和氮原子组成，它们在材料内部产生极性。在他们的实验中,研究人员发现,任何原子在hBN流动,即使他们高度极化,完全无法与他们潜在的晶片,这表明极性的兴趣和中间材料的原子决定原子相互作用,形成最初的半导体晶片的副本。
“现在我们真正明白了通过石墨烯存在原子相互作用的规则，”Kim说。
他说，有了这种新的认识，研究人员现在只需看看周期表，就能选出两个电荷相反的元素。一旦他们获得或制造了一个由相同元件制成的主晶圆，他们就可以应用团队的远程外延技术来制造多个完全相同的原始晶圆。
“人们大多使用硅片，因为它们很便宜，”Kim说。“现在我们的方法开启了一种使用高性能非硅材料的途径。你可以只买一个昂贵的晶圆片，然后一遍又一遍地复制，然后重复使用晶圆片。现在这种技术的材料库完全扩展了"
Kim设想，远程外延技术现在可以用以前各种奇异的半导体材料制成超薄的柔性薄膜——只要这种材料是由具有一定极性的原子制成的。这种超薄薄膜有可能一层一层地堆积起来，生产出微型、灵活的多功能设备，比如可穿戴传感器、柔性太阳能电池，甚至在遥远的未来，“可以附着在皮肤上的手机”。
“在智能城市，我们可能想要把小型计算机放在任何地方，我们需要低功耗、高灵敏度的计算和传感设备，这些设备由更好的材料制成，”Kim说。“这项研究开启了通往这些设备的道路。”
这项研究部分得到了国防高级研究计划局、能源部、空军研究实验室、LG电子、爱茉莉太平洋、林研究和模拟设备的支持。
——文章发布于2018年10月8日
