工程师混合和匹配材料以制造新的伸缩电子设备

 
任何电子设备的核心都是冷硬计算机芯片，覆盖在晶体管和其他半导体元件的微型城市中。由于计算机芯片是刚性的，因此它们供电的电子设备(例如我们的智能手机，笔记本电脑，手表和电视)也同样缺乏灵活性。
现在，由麻省理工学院的工程师开发的工艺可能是以具有成本效益的方式制造具有多种功能的柔性电子产品的关键。
该过程称为“远程外延”，涉及在同一材料的大而厚的晶片上生长半导体材料的薄膜，该晶片被石墨烯的中间层覆盖。一旦研究人员种植了半导体薄膜，他们就可以将其从覆盖石墨烯的晶圆上剥离下来，然后再利用，根据制造材料的类型，晶圆本身可能会很昂贵。通过这种方式，团队可以使用相同的下层晶圆复制并剥离任意数量的柔性薄膜。
在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员证明了他们可以利用远距离外延来生产任何功能材料的独立膜。更重要的是，它们可以堆叠由这些不同材料制成的薄膜，以生产灵活的多功能电子设备。
研究人员预计，该工艺可用于生产可拉伸的电子薄膜，用途广泛，包括启用虚拟现实的隐形眼镜，可塑造出汽车轮廓的太阳能皮肤，可响应天气的电子织物，以及直到现在为止看来还只是Marvel电影中的其他柔性电子产品。
麻省理工学院机械工程副教授Jeehwan Kim说：“您可以使用这种技术在一个柔性芯片中混合和匹配任何半导体材料，以具有新的设备功能。” “您可以制造任何形状的电子产品。”
Kim和他的同事在2017年报告了他们使用远程外延的第一个结果。然后，他们能够通过将石墨烯层放置在由多种稀有金属组合而成的厚而昂贵的晶片上来生产柔性的半导体薄膜。他们使每种金属的原子流过被石墨烯覆盖的晶片，并发现这些原子在石墨烯的顶部形成了与下层晶片相同的晶体图案的膜。石墨烯提供了一个不粘的表面，研究人员可以从该表面上剥离新膜，从而留下石墨烯覆盖的晶片，可以重复使用。
在2018年，研究小组表明，他们可以使用远程外延从元素周期表第3和5组的金属制造半导体材料，而不是从第4组的金属制造半导体材料。他们发现其原因归结为极性，或者归结为在石墨烯上流动的原子和下方晶圆中的原子。
自从认识到这一点以来，金和他的同事们尝试了许多越来越奇特的半导体组合。正如这篇新论文所报道的那样，该团队使用远程外延技术由复合氧化物(由氧气和至少两种其他元素制成的化合物)制成柔性半导体薄膜。已知复合氧化物具有广泛的电和磁性能，并且某些组合在物理拉伸或暴露于磁场时会产生电流。
金说，制造具有复杂氧化物的柔性薄膜的能力可能会打开新的能量收集装置的大门，例如薄片或覆盖物会因振动而拉伸，从而产生电能。到目前为止，复杂的氧化物材料仅在刚性，毫米厚的晶圆上制造，具有有限的柔韧性，因此产生的能量潜力也有限。
研究人员确实不得不调整他们的工艺来制造复杂的氧化膜。他们最初发现，当他们试图制造诸如钛酸锶(锶，钛和三个氧原子的化合物)之类的复合氧化物时，流过石墨烯的氧原子倾向于与石墨烯的碳原子结合，从而被腐蚀掉。少量的石墨烯，而不是遵循下层晶圆的图案并与锶和钛结合。作为一个令人惊讶的简单解决方案，研究人员添加了第二层石墨烯。
“我们看到，当石墨烯的第一层被蚀刻掉时，氧化物化合物已经形成，因此一旦形成这些所需的化合物，元素氧就不会与石墨烯发生强烈的相互作用，”金解释说。 “因此，两层石墨烯为该化合物的形成花费了一些时间。”
剥皮和堆叠
该团队使用他们新调整的工艺，由多种复杂的氧化物材料制成薄膜，并在制作时剥离了每个100纳米薄的层。他们还能够将不同的复合氧化物材料堆叠在一起，并通过稍微加热将它们有效地粘合在一起，从而生产出一种灵活的多功能设备。
金说：“这是首次堆叠像乐高积木一样的多层纳米薄膜，这是不可能的，因为所有功能性电子材料都以厚晶片的形式存在。”
在一个实验中，研究小组将两种不同的复合氧化物的薄膜堆叠在一起：已知在磁场作用下会膨胀的钴铁氧体和拉伸后会产生电压的材料PMN-PT。当研究人员将多层膜暴露在磁场中时，两层共同作用以膨胀并产生小电流。
结果表明，远程外延技术可用于由功能不同的材料组合制造柔性电子产品，这些功能以前很难组合成一个设备。在钴铁氧体和PMN-PT的情况下，每种材料都有不同的晶体图案。金说，传统的外延技术只能在一个晶片上高温生长材料，如果它们的晶体图案匹配，则只能结合材料。他说，通过外延外延，研究人员可以使用不同的可重复使用的晶圆制作任意数量的不同胶片，然后将它们堆叠在一起，而不管其晶体图案如何。
“这项工作的全局是，您可以在一个地方将完全不同的材料结合在一起，”金说。 “现在，您可以想象一个薄而灵活的设备，它由包括传感器，计算系统，电池，太阳能电池在内的各层组成，因此您可以拥有一个灵活的，自供电，物联网的堆叠芯片。”
该团队正在探索各种半导体薄膜的组合，并正在开发原型设备，例如Kim称其为“电子纹身”的东西-一种柔性，透明的芯片，可以附着并贴合人体，以感知并无线中继生命体征例如温度和脉冲。
“我们现在可以制造出具有最高功能的薄型，柔性，可穿戴电子设备，”金说。 “只剥下并堆放。”