麻省理工学院的研究人员发现石墨烯用于制备各种非硅半导体材料

麻省理工学院的研究人员发现石墨烯用于制备各种非硅半导体材料

目前，绝大多数的计算机设备都是由硅材料制成的，硅是地球上仅次于氧的第二丰富的元素，它以各种形式广泛存在于岩石、砾石和尘埃中，硅不是最好的半导体材料，但它是迄今为止最容易获得的，因此硅材料占据了主要位置。在电子设备领域，如传感器、太阳能电池和集成电路。

砷化镓、氮化镓和氟化锂比硅材料具有更好的性能，但用它们制备功能器件的成本仍然很高。现在，研究人员开发出一种新的技术来制备各种超薄非硅半导体薄膜，如砷化镓、氮化镓和锂。氟化物柔性薄膜。研究人员说，这种技术可以制造出任意半导体元件组合的柔性电子器件，而且成本低。

机械工程系和材料科学与工程系的助理教授Jeehwan Kim说，他们开创了一种利用各种非硅材料系统制造柔性电子器件的新方法。他相信这种方法可以用于制造低成本、高性能的DEV。冰，如柔性太阳能电池、可穿戴计算机和传感器。有关这项技术的详细信息发表在10月8日出版的《自然材料》杂志上。这项研究得到了美国国防部高级研究计划局、能源部、空军实验室、LG电子公司、非晶体学公司、LAMResearch和ADI。

2017年，金的研究小组发明了一种方法，利用只有一个原子厚的碳原子六边形蜂窝晶格来复制昂贵的半导体材料。

他们发现，当把镓和砷原子堆在纯净昂贵的半导体晶片（如砷化镓）上时，它们会向石墨烯层倾泻并继续生长。它们似乎与石墨烯层下的原子层相互作用，就好像中间的石墨烯是不可见和透明的。结果，这些原子在石墨烯的上层被组装成与底部半导体晶圆相同的单晶图案的薄膜，形成精确的拷贝，并且可以很容易地从石墨层剥离。

他们称这种技术为远外延，通过它可以用同一块昂贵的晶圆来制备多个砷化镓薄膜，这有助于降低制备成本。

此后，研究小组试图利用远外延技术制备低成本的硅和锗半导体。结果表明，当硅和锗原子流过石墨烯时，它们不会与石墨烯下方的相应衬底发生相互作用，就像透明的石墨烯一样，突然变得不透明，阻止了硅和细菌的生长。从原子的另一面看去，我们可以发现，硅和锗属于元素周期表中的第四个主族，第四个主族材料是离子中性的，也就是说，没有极性，金说，这给了我们一个提示。

研究小组分析说，只有当原子有一些离子电荷时，它们才有可能通过石墨烯相互作用。例如，砷化镓，在界面层中，镓带负电荷，砷带正电荷。正是电荷或极性的差异导致它们通过石墨烯相互作用，并复制了底物。像石墨烯一样是透明的。

金说，通过石墨烯的相互作用取决于原子的极性。对于强离子键材料，它们甚至可以在三层石墨烯之间相互作用。就像两个磁极在一张纸上相互吸引。

为了验证实验假设，研究人员复制了具有不同极性水平的半导体材料，从中性硅和锗到弱砷化镓，再到强极性氟化锂。

研究发现，极性越强，原子间的相互作用就越强，即使是在几个单层石墨烯中，它们的薄膜也很柔韧，只有数十到数百纳米厚。

研究小组还发现，原子通过的材料（中间层）也有影响。除了石墨烯外，他们还尝试使用六角氮化硼（HBN）作为中间层。HBN的原子排列模式与石墨烯相同，HBN的性质与Teflon相似，这使得堆放在上面的材料容易剥落。

然而，HBN是由具有相反电性的硼氮原子组成，因此材料本身具有极性，发现任何流经HBN的原子即使极性很强，也不能与下伏晶圆相互作用，这表明目标半导体材料和中间层的原子极性材料一起决定原子是否相互作用，以及是否会形成原始半导体晶片的复制品。

金说，现在我们真的了解了石墨烯原子间相互作用的规律，根据这一新发现，研究人员可以任意地从元素周期表中选择两个相对极性的元素。只要能够制备出母晶圆，就可以通过远程外延技术制备出多个拷贝。

Kim说硅片是主流，因为它们很便宜。现在，我们已经开辟了一种制备高性能非硅材料的新方法。你只需要买一个昂贵的芯片，然后你就可以继续重复使用和复制它。而且，这种技术的材料库是完全可扩展的。

金认为，只要这些材料的原子具有一定的极性，远程外延就有可能用各种特殊的半导体材料制备超薄柔性薄膜，这些超薄薄膜可以堆叠在一起，制造出多功能的超薄柔性器件，如可穿戴传感器、柔性太阳能电池、可移动式太阳能电池等。甚至可以连在皮肤上的手机。

为了在城市的每一个角落放置许多小型计算机，需要低功耗、高灵敏度的计算和传感器组件。这需要性能更好的材料。他们的研究为这些设备的制造铺平了道路。

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