麻省理工的工程師們開發出一種新的技術，這種技術除了硅以外還可以使用其他一系列特殊材料制成超薄半導體薄膜。為了展示他們的技術，研究人員使用砷化鎵、氮化鎵和氟化鋰制成了多種柔性薄膜，這些薄膜材料表現出比硅更好的性能。不過，截至目前，這種材料用于功能器件的成本還是過高。

麻省理工學院的研究人員借助二維材料研發出一種在GaN襯底上生長單晶GaN薄膜的方法。這種單晶GaN薄膜隨后借助一種柔性基板剝離出來，如上圖示，這種單晶GaN薄膜因為薄膜干涉顯示出彩虹色。該技術將為柔性電子設備和晶圓的再利用鋪平道路

今天絕大多數計算設備都是由硅制成的，硅是地球上含量第二豐富的元素，僅次于氧。硅可以在巖石、粘土、沙子和土壤中以各種形式存在。雖然它不是地球上現存最好的半導體材料，不過一定是目前最容易獲取的半導體材料。因此，硅是大多數電子設備中使用的主要材料，包括傳感器、太陽能電池以及我們的計算機和智能手機中的集成電路。

現在，麻省理工學院的工程師們開發出一種新的技術，這種技術除了硅以外還可以使用其他一系列特殊材料制成超薄半導體薄膜。為了展示他們的技術，研究人員使用砷化鎵，氮化鎵和氟化鋰材料制成了多種柔性薄膜，這些薄膜材料表現出比硅更好的性能。不過截至目前，這種材料用于功能器件的成本還是過高。

研究人員表示，這項新技術為制造基于半導體元件的柔性電子元件提供了一種經濟有效的方法，這種方法制成的半導體器件表現出比目前的硅基器件更好的性能。

“我們研發出一種新的方法，可以使用除硅之外其他許多不同的材料來制造柔性電子產品，”機械工程與材料科學與工程系的職業發展副教授Jeehwan Kim說。Kim認為該技術可用于制造低成本，高性能的設備，如柔性太陽能電池，可穿戴計算機和傳感器。

Nature Materials今天報道了這項新技術的具體細節。除了Kim之外，論文的合著者包括麻省理工學院的魏孔、李華山、寬橋、金云英、李克善、李若麟、湯姆奧薩奇、理查德莫爾納、楊瑜、桑頌裴、楊少鶴、Jeffrey Grossman，以及中山大學、弗吉尼亞大學、德克薩斯大學達拉斯分校，美國海軍研究實驗室，俄亥俄州立大學和佐治亞理工學院的一些研究人員。

2017年，Kim和他的同事們設計了一種方法，使用石墨烯來生產現有高成本半導體材料的“復制品”- 石墨烯是一種原子級薄的碳原子，排列成六邊形的雞絲圖案。他們發現，當石墨烯堆疊在純凈，昂貴的半導體材料晶圓（如砷化鎵）上時，疊層上鎵和砷的流態原子（Flowed Atoms）發生“流動”，這些原子似乎以某種方式與下面的原子層相互作用，就像中間石墨烯是透明的。結果，這些原子在下面的半導體晶片上精確地組裝成一種單晶圖案，好像形成一種精確的“復制品”，這種“復制品”可以很容易地從石墨烯層剝離。

研究人員稱之為“遠程外延”（Remote Epitaxy）技術技術，它提供了一種更為經濟的制造多層砷化鎵薄膜的方法——在整個這個技術中僅使用了一片昂貴的底層晶圓。

在他們第一次報道這些研究成果后不久，該團隊進一步想確認他們的技術是否可用于復制其他的半導體材料。他們試圖將“遠程外延”技術應用到硅和鍺這兩種廉價的半導體材料上，但是結果并不如預期，這些原子“流過”石墨烯時無法與它們各自的下層相互作用。就像以前透明的石墨烯突然變得不透明一樣，石墨烯層阻止了硅和鍺原子和另一側原子的作用。

實際上，硅和鍺是存在于元素周期表同一組內的兩個元素。具體而言，這兩個元素屬于第四組，這一組都是一類離子呈中性的材料，它們沒有極性。

“這給了我們一個暗示”，Kim說。

也許，該團隊推斷，只有帶有一些離子電荷的原子才能通過石墨烯實現相互作用。例如，在砷化鎵的情況下，與砷的正電荷不同，鎵在界面處具有負電荷。這種電荷差異或極性可能有助于原子通過石墨烯相互作用，就像它是透明的一樣，最終“復制”出半導體材料原子的圖案。

“我們發現隔著石墨烯實現原子間的相互作用取決于原子的極性。對于具有最強的離子鍵合能的材料，它們甚至可以隔著三層石墨烯材料實現相互作用，”Kim說，“這類似于兩塊磁鐵相互吸引，即使中間隔著一張薄紙。”

研究人員通過使用“遠程外延”技術“復制”具有不同極性的半導體材料（從中性硅和鍺到輕微極化的砷化鎵，最后是高度極化的氟化鋰，氟化鋰一種比硅更好，更昂貴的半導體）來驗證他們的假設。

他們發現，極性程度越大，原子相互作用越強，在某些情況下，材料甚至可以隔著多片石墨烯實現“復制”。他們能夠生產的各種薄膜都具有很好的柔韌性，而且厚度只有幾十到幾百納米。

研究小組還發現，原子實現相互作用所使用的隔離物質也很重要。除了石墨烯之外，他們還嘗試使用了六角形的氮化硼（h-BN）充作隔離物質，這種材料的原子圖案類似于石墨烯，性質和特氟隆類似，從而使得覆蓋材料在“復制”后可以輕松剝離。

然而，h-BN由帶相反電荷的硼和氮原子組成，材料本身就具有極性。在他們的實驗中，研究人員發現，流過h-BN的任何原子，即使它們本身都是高度極化的，也不能完全與它們下面的晶片原子相互作用，這表明原始半導體原子和隔離材料的極性一起決定，原子是否能通過相互作用形成原始半導體晶片的“復制品”。

“現在，我們真正理解了原子隔著石墨烯相互作用的規則，”Kim說。

他說，基于這種規則的理解，研究人員現在可以簡單地通過查看元素周期表來選擇兩個可以實現上述相互作用的元素。一旦他們獲得或制造出由相同元件制成的主晶圓，他們就可以應用這種“遠程外延”技術來精確制作原始晶圓的多個副本。

“大多數人們選擇使用硅片，因為它們很便宜，”Kim說。“現在，我們開辟了一種使用性能更高的非硅材料的方法。你可以購買一個昂貴的晶圓，然后使用該晶圓進行一遍又一遍的復制。另外，截至目前，這種技術所適用的材料庫又有了更大的擴展。”

Kim現在設想，“遠程外延”技術可以用來制造各種基于其他特殊半導體材料的超薄柔性薄膜，只要這些材料是由具有一定極性的原子制成的。這種超薄薄膜可以一層一層地堆疊在一起，最后制作出具有高度柔韌性的多功能設備，比如可穿戴傳感器，柔性太陽能電池，甚至在遙遠的未來可能制作出的“連接到皮膚上的手機”。

“在智能城市，我們可能希望在任何地方安置小型計算機，我們需要由更好的材料制成得低功耗，高靈敏度的計算和傳感設備，”Kim說，“這項研究為這些設備開辟了道路。”

這項研究部分得到了國防高等研究計劃署，能源部、空軍研究實驗室、LG電子、愛茉莉太平洋集團，LAM研究所（泛林半導體）和ADI公司的支持。