Omkostningseffektiv metode producerer halvledende film af materialer, der overgår silicium

Langt de fleste computerenheder i dag er lavet af silicium, det næstmest udbredte grundstof på jorden, efter ilt. Silicium kan findes i forskellige former i klipper, ler, sand, og jord. Og selvom det ikke er det bedste halvledende materiale, der findes på planeten, det er langt den lettest tilgængelige. Som sådan, silicium er det dominerende materiale, der bruges i de fleste elektroniske enheder, inklusive sensorer, solceller, og de integrerede kredsløb i vores computere og smartphones.

Nu har MIT-ingeniører udviklet en teknik til at fremstille ultratynde halvledende film lavet af et væld af eksotiske materialer bortset fra silicium. For at demonstrere deres teknik, forskerne fremstillede fleksible film lavet af galliumarsenid, galliumnitrid, og lithiumfluorid - materialer, der udviser bedre ydeevne end silicium, men som indtil nu har været uoverkommeligt dyre at fremstille i funktionelle enheder.

Den nye teknik, forskere siger, giver en omkostningseffektiv metode til at fremstille fleksibel elektronik fremstillet af enhver kombination af halvledende elementer, der kunne yde bedre end nuværende siliciumbaserede enheder.

"Vi har åbnet en måde at lave fleksibel elektronik med så mange forskellige materialesystemer, andet end silicium, " siger Jeehwan Kim, klassen i 1947 Karriereudviklingslektor i afdelingerne for maskinteknik og materialevidenskab og teknik. Kim forestiller sig, at teknikken kan bruges til at fremstille lavpris, højtydende enheder såsom fleksible solceller, og bærbare computere og sensorer.

Detaljer om den nye teknik er rapporteret i dag i Naturmaterialer . Ud over Kim, avisens MIT medforfattere inkluderer Wei Kong, Huashan Li, Kuan Qiao, Yunjo Kim, Kyusang Lee, Doyoon Lee, Tom Osadchy, Richard Molnar, Yang Yu, Sang-hoon Bae, Yang Shao-Horn, og Jeffrey Grossman, sammen med forskere fra Sun Yat-Sen University, University of Virginia, University of Texas i Dallas, U.S. Naval Research Laboratory, Ohio State University, og Georgia Tech.

Nu ser du det, nu gør du ikke

I 2017 Kim og hans kolleger udtænkte en metode til at fremstille "kopier" af dyre halvledende materialer ved hjælp af grafen - et atomisk tyndt ark af kulstofatomer arrangeret i en sekskantet, kyllingetrådsmønster. De fandt ud af, at når de stablede grafen oven på en ren, dyrt oblat af halvledende materiale såsom galliumarsenid, derefter flød atomer af gallium og arsenid hen over stakken, atomerne så ud til at interagere på en eller anden måde med det underliggende atomlag, som om den mellemliggende grafen var usynlig eller gennemsigtig. Som resultat, atomerne samlet til den præcise, enkeltkrystallinsk mønster af den underliggende halvledende wafer, danner en nøjagtig kopi, der så let kunne skrælles væk fra grafenlaget.

Teknikken, som de kalder "fjern epitaksi, " gav en overkommelig måde at fremstille flere film af galliumarsenid, kun ved at bruge en dyr underliggende wafer.

Kort efter at de rapporterede deres første resultater, holdet spekulerede på, om deres teknik kunne bruges til at kopiere andre halvledende materialer. De prøvede at anvende fjern epitaksi på silicium, og også germanium - to billige halvledere - men fandt ud af, at når de flød disse atomer over grafen, formåede de ikke at interagere med deres respektive underliggende lag. Det var som om grafen, tidligere gennemsigtig, blev pludselig uigennemsigtig, forhindrer atomer af silicium og germanium i at "se" atomerne på den anden side.

Som det sker, silicium og germanium er to grundstoffer, der findes inden for den samme gruppe af grundstoffernes periodiske system. Specifikt, de to elementer hører til i gruppe fire, en klasse af materialer, der er ionisk neutrale, hvilket betyder, at de ikke har nogen polaritet.

"Dette gav os et hint, " siger Kim.

Måske, holdet begrundede, atomer kan kun interagere med hinanden gennem grafen, hvis de har en eller anden ionisk ladning. For eksempel, i tilfælde af galliumarsenid, gallium har en negativ ladning ved grænsefladen, sammenlignet med arsens positive ladning. Denne afgiftsforskel, eller polaritet, kan have hjulpet atomerne til at interagere gennem grafen, som om det var gennemsigtigt, og kopiere det underliggende atommønster.

"Vi fandt ud af, at interaktionen gennem grafen er bestemt af atomernes polaritet. For de stærkeste ionisk bundne materialer, de interagerer selv gennem tre lag af grafen, " siger Kim. "Det ligner den måde, to magneter kan tiltrække, selv gennem et tyndt ark papir."

Modsætninger tiltrækkes

Forskerne testede deres hypotese ved at bruge fjern epitaksi til at kopiere halvledende materialer med forskellige grader af polaritet, fra neutral silicium og germanium, til let polariseret galliumarsenid, og endelig, stærkt polariseret lithiumfluorid - en bedre, dyrere halvleder end silicium.

De fandt ud af, at jo større grad af polaritet, jo stærkere er den atomare interaktion, også selvom, i nogle tilfælde, gennem flere ark grafen. Hver film, de var i stand til at producere, var fleksibel og kun ti til hundreder af nanometer tyk.

Materialet, som atomerne interagerer igennem, har også betydning, holdet fandt. Ud over grafen, de eksperimenterede med et mellemlag af hexagonal bornitrid (hBN), et materiale, der ligner grafens atommønster og har en lignende teflon-lignende kvalitet, gør det muligt for overliggende materialer nemt at skalle af, når de først er kopieret.

Imidlertid, hBN er lavet af modsat ladede bor- og nitrogenatomer, som genererer en polaritet i selve materialet. I deres eksperimenter, forskerne fandt ud af, at alle atomer, der flyder over hBN, selvom de selv var meget polariserede, var ude af stand til at interagere med deres underliggende wafere fuldstændigt, hvilket tyder på, at polariteten af ​​både atomerne af interesse og mellemmaterialet bestemmer, om atomerne vil interagere og danne en kopi af den originale halvledende wafer.

"Nu forstår vi virkelig, at der er regler for atomart interaktion gennem grafen, " siger Kim.

Med denne nye forståelse, han siger, forskere kan nu blot se på det periodiske system og vælge to elementer med modsat ladning. Når de først anskaffer eller fremstiller en hovedwafer lavet af de samme elementer, de kan derefter anvende holdets fjernepitaxiteknikker til at fremstille flere, nøjagtige kopier af den originale wafer.

"Folk har for det meste brugt siliciumwafers, fordi de er billige, " siger Kim. "Nu åbner vores metode op for en måde at bruge mere ydende, ikke-silicium materialer. Du kan bare købe en dyr oblat og kopiere den igen og igen, og fortsæt med at genbruge waferen. Og nu er materialebiblioteket for denne teknik totalt udvidet."

Kim forestiller sig, at fjern epitaksi nu kan bruges til at fremstille ultratynd, fleksible film fra en bred vifte af tidligere eksotiske, halvledende materialer - så længe materialerne er lavet af atomer med en grad af polaritet. Sådanne ultratynde film kan potentielt stables, den ene oven på den anden, at producere små, fleksibel, multifunktionelle enheder, såsom bærbare sensorer, fleksible solceller, og endda, i en fjern fremtid, "mobiltelefoner, der sætter sig fast på din hud."

"I smarte byer, hvor vi måske ønsker at placere små computere overalt, vi ville have brug for lav effekt, meget følsomme computer- og sensorenheder, lavet af bedre materialer, " siger Kim. "Dette [studie] låser vejen til disse enheder."