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MIT研究职员新发现:应用石墨烯,制备种种非硅半导体质料

宣布时间:2018年10月16日 10:10    宣布者:eechina
要害词: 石墨烯 , 半导体质料
泉源:DeepTech深科技

现在,绝年夜多数的盘算机装备均是由硅质料制备而来。硅元素是地球上既氧元素以后,储量第二富厚的元素。它以种种不合的形式,普遍存在于岩石、砂砾和灰尘当中。硅虽然不是最好的半导体质料,但它是迄今最容易取得的半导体质料。由此,硅质料在电子器件领域占领主要职位,好比传感器、太阳能电池和集成电路等。

砷化镓、氮化镓和氟化锂等质料的性能胜过硅质料,然则现在用它们制备功效器件,资源仍很是昂扬。而现在,MIT 的研究职员开发了一种新手艺,可制备多种超薄的非硅半导体薄膜,好比砷化镓、氮化镓和氟化锂柔性薄膜。研究职员体现,应用该手艺,可制备随便任性半导体元素组合的柔性电子器件,而且资源低。

MIT 机械工程系、质料迷信与工程系的助理教授 Jeehwan Kim 体现,他们开创了一种制备柔性电子器件的新要领,可应用多种不合的非硅质料系统。他以为该措施可用于制备低资源、高性能的器件,好比柔性太阳能电池和可穿着式盘算机和传感器等。 10 月 8 日,该手艺相关的详细信息揭晓在《Nature Materials》期刊上。该项研究取得了美国国防高等研究妄图局、动力部、美国空军实验室、LG 电子、Amore Pacific、LAM Research 和 ADI 公司的部门支持。

可见、又弗私见的石墨烯?

2017 年,Kim 团队创作缔造了一种应用石墨烯(只需一个原子厚, 碳原子组成六角型呈蜂巢晶格),“复制”昂贵半导体质料的措施。
他们发现,把石墨烯堆叠在贞洁且昂贵的半导体质料晶片上(好比砷化镓),镓、砷原子会“涌出”到石墨烯层上一连生长。它们似乎与石墨烯层下面的原子层相互作用,就似乎中央的石墨烯是隐形的、透明的。效果,石墨烯下层的这些原子就组装成与底部半导体晶片类似单晶图案的薄膜,组成了一个准确的“正本”,而且可以很容易地从石墨层上剥离上去。

他们把这项手艺称之为“远程内在”(remote epitaxy),经由历程该手艺,可应用统一个昂贵的晶片,制备出多个砷化镓薄膜,利于降低制备资源。

在此以后,研究团队应用“远程内在”,考试考试制备价钱昂贵的硅和锗半导体。效果发现,当硅和锗原子“流过”石墨烯,着实不克不及与石墨烯下方照顾的衬底发生作用。这就似乎原来透明的石墨烯,突然变得不透清晰了了,阻挡硅和锗原子“看到”此外一面的原子。 正巧,硅元素和锗元素在元素周期表中同属第四主族。而第四主族质料呈离子中性,也就是说没有极性。Kim 体现,“这给了我们提醒”。

研究团队剖析,能够只需原子带有一些离子电荷时,才干透过石墨烯相互作用。好比砷化镓,在界面层,镓带负电荷,而砷带正电荷。正是电荷或极性的不合,才使得它们透过石墨烯发生相互作用,并复制底层的原子图案,就似乎石墨烯是透明的。
Kim 体现,“透过石墨烯的相互作用取决于原子的极性。关于强离子键合资料,即就是隔着三个石墨烯层,他们也能够或许相互作用。这就似乎两个磁极,纵然隔着一张薄纸,也能够或许相互吸引。”

异性相吸

为了验证实验设想,研究职员复制了不合极性水平的半导体质料,从中性的硅和锗,到极性较弱的砷化镓,再到极性较强的氟化锂。

效果发现,极性越强,原子间相互作用越强,即就是透过几个单层石墨烯。他们制备的薄膜均是柔性的,且厚度只需几十到几百纳米。

研究团队还发现,原子透过哪些质料(中央层),也是有影响的。除石墨烯,他们考试考试应用六方氮化硼(hBN)作为中央层。hBN 与石墨烯的原子排列图案类似,而且具有类似于 Teflon 的性子,使得堆叠在其上方的质料可以很容易地剥离上去。

然则,hBN 是由电性相反的硼和氮原子组成,是以质料自己就有了极性。实验发现,任何“流过”hBN 的原子,纵然自己具有较强的极性,也没法与底层的晶片相互作用。这注解,目的半导体质料和中央层质料的原子极性合营决议了原子间能否会相互作用,能否会组成原始半导体晶片的“正本”。

Kim 体现,“现在,我们真正明确了原子透过石墨烯阻拦相互作用的规则。”凭证这一新发现,研究职员可以从元素周期表中随便任性拔取两种相对极性的元素,只需能够制备出“母晶片”,那么便可以应用“远程内在”手艺制备出多个正本。

Kim 体现,“硅晶片是以后的主流,主要由于它们价钱克己。现在,我们开发了一条新蹊径,制备高性能的非硅质料。你只需购置一个昂贵的晶片,便可以重复应用晶片,赓续地阻拦复制。而且,这项手艺的质料库是完全可扩年夜的。”

Kim 以为“远程内在”手艺有望应用种种特另外半导体质料,制备超薄的柔性薄膜,只需这些质料的原子具有一定的极性。这些超薄膜可堆叠起来,制备多功效的超薄柔性器件,好比可穿着传感器、柔性太阳能电池,以致是可贴在皮肤上的手机。

要在都市的各个角落放置许多小型盘算机,那么就须要低功耗、高迅速的盘算和传感器件。这就须要由性能更优的质料。他们的研究则为制备这些器件开发了蹊径。
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