任何電子設(shè)備的核心都是冷硬計(jì)算機(jī)芯片，覆蓋在晶體管和其他半導(dǎo)體元件的微型城市中。由于計(jì)算機(jī)芯片是剛性的，因此它們供電的電子設(shè)備(例如我們的智能手機(jī)，筆記本電腦，手表和電視)也同樣缺乏靈活性。

現(xiàn)在，由麻省理工學(xué)院的工程師開發(fā)的工藝可能是以具有成本效益的方式制造具有多種功能的柔性電子產(chǎn)品的關(guān)鍵。

該過程稱為“遠(yuǎn)程外延”，涉及在同一材料的大而厚的晶片上生長半導(dǎo)體材料的薄膜，該晶片被石墨烯的中間層覆蓋。一旦研究人員種植了半導(dǎo)體薄膜，他們就可以將其從覆蓋石墨烯的晶圓上剝離下來，然后再利用，根據(jù)制造材料的類型，晶圓本身可能會很昂貴。通過這種方式，團(tuán)隊(duì)可以使用相同的下層晶圓復(fù)制并剝離任意數(shù)量的柔性薄膜。

在《自然》雜志上發(fā)表的一篇論文中，研究人員證明，他們可以使用遠(yuǎn)程外延來生產(chǎn)任何功能材料的獨(dú)立膜。更重要的是，它們可以堆疊由這些不同材料制成的薄膜，以生產(chǎn)靈活的多功能電子設(shè)備。

研究人員預(yù)計(jì)，該工藝可用于生產(chǎn)可拉伸的電子薄膜，用途廣泛，包括啟用虛擬現(xiàn)實(shí)的隱形眼鏡，可塑造出汽車輪廓的太陽能皮膚，可響應(yīng)天氣的電子織物，以及直到現(xiàn)在為止看來還只是Marvel電影中的其他柔性電子產(chǎn)品。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授Jeehwan Kim說：“您可以使用這種技術(shù)在一個(gè)柔性芯片中混合和匹配任何半導(dǎo)體材料，以具有新的設(shè)備功能。”“您可以制造任何形狀的電子產(chǎn)品。”

Kim的合著者包括Hyun S.Kum，Sungkyu Kim，Wei Kong，Kuan Qiao，Peng Chen，Jaewoo Shim，Sang-Hoon Bae，Chanyolol Choi，Luigi Ranno，Seungju Seo，Sangho Lee，Jackson Bauer和MIT的Caroline Ross以及威斯康星大學(xué)麥迪遜分校，康奈爾大學(xué)，弗吉尼亞大學(xué)，賓夕法尼亞州立大學(xué)，中山大學(xué)和韓國原子能研究所的合作者。

購買時(shí)間

Kim和他的同事在2017年報(bào)告了他們使用遠(yuǎn)程外延的第一個(gè)結(jié)果。然后，他們能夠通過將石墨烯層放置在由多種稀有金屬組合而成的厚而昂貴的晶片上來生產(chǎn)柔性的半導(dǎo)體薄膜。他們使每種金屬的原子流過被石墨烯覆蓋的晶片，并發(fā)現(xiàn)這些原子在石墨烯的頂部形成了與下層晶片相同的晶體圖案的膜。石墨烯提供了一個(gè)不粘的表面，研究人員可以從該表面上剝離新膜，從而留下石墨烯覆蓋的晶片，可以重復(fù)使用。

在2018年，研究小組表明，他們可以使用遠(yuǎn)程外延從元素周期表的第3和5組中的金屬制造半導(dǎo)體材料，而不是從第4組中的金屬制造半導(dǎo)體材料。他們發(fā)現(xiàn)其原因歸結(jié)為極性，或者歸結(jié)為極性在石墨烯上流動的原子和下方晶圓中的原子。

自從認(rèn)識到這一點(diǎn)以來，金和他的同事們嘗試了許多越來越奇特的半導(dǎo)體組合。正如這篇新論文所報(bào)道的那樣，該團(tuán)隊(duì)使用遠(yuǎn)程外延技術(shù)由復(fù)合氧化物(由氧氣和至少兩種其他元素制成的化合物)制成柔性半導(dǎo)體薄膜。已知復(fù)合氧化物具有廣泛的電和磁性能，并且某些組合在物理拉伸或暴露于磁場時(shí)會產(chǎn)生電流。

金說，制造具有復(fù)雜氧化物的柔性薄膜的能力可能會打開新的能量收集裝置的大門，例如薄片或覆蓋物會因振動而拉伸，從而產(chǎn)生電能。到目前為止，復(fù)雜的氧化物材料僅在剛性，毫米厚的晶圓上制造，具有有限的柔韌性，因此產(chǎn)生的能量潛力也有限。

研究人員確實(shí)不得不調(diào)整他們的工藝來制造復(fù)雜的氧化膜。他們最初發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們試圖制造諸如鈦酸鍶(鍶，鈦和三個(gè)氧原子的化合物)之類的復(fù)合氧化物時(shí)，流過石墨烯的氧原子傾向于與石墨烯的碳原子結(jié)合，從而被腐蝕掉。少量的石墨烯，而不是遵循下層晶圓的圖案并與鍶和鈦結(jié)合。作為一個(gè)令人驚訝的簡單解決方案，研究人員添加了第二層石墨烯。

“我們看到，當(dāng)石墨烯的第一層被蝕刻掉時(shí)，氧化物化合物已經(jīng)形成，因此一旦形成這些所需的化合物，元素氧就不會與石墨烯發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，”金解釋說。“因此，兩層石墨烯為該化合物的形成花費(fèi)了一些時(shí)間。”

剝皮和堆疊

該團(tuán)隊(duì)使用他們新調(diào)整的工藝，由多種復(fù)雜的氧化物材料制成薄膜，并在制作時(shí)剝離了每個(gè)100納米薄的層。他們還能夠?qū)⒉煌膹?fù)合氧化物材料堆疊在一起，并通過稍微加熱將它們有效地粘合在一起，從而生產(chǎn)出一種靈活的多功能設(shè)備。

金說：“這是首次堆疊像樂高積木一樣的多層納米薄膜，這是不可能的，因?yàn)樗泄δ苄噪娮硬牧隙家院窬男问酱嬖凇?rdquo;

在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究小組將兩種不同復(fù)合氧化物的膜堆疊在一起：已知在磁場存在下會膨脹的鈷鐵氧體和拉伸后會產(chǎn)生電壓的材料PMN-PT。當(dāng)研究人員將多層膜暴露在磁場中時(shí)，兩層共同作用以膨脹并產(chǎn)生小電流。

結(jié)果表明，遠(yuǎn)程外延技術(shù)可用于由功能不同的材料組合制造柔性電子產(chǎn)品，這些功能以前很難組合成一個(gè)設(shè)備。在鈷鐵氧體和PMN-PT的情況下，每種材料都有不同的晶體圖案。金說，傳統(tǒng)的外延技術(shù)只能在一個(gè)晶片上高溫生長材料，如果它們的晶體圖案匹配，則只能結(jié)合材料。他說，通過外延外延，研究人員可以使用不同的可重復(fù)使用的晶圓制作任意數(shù)量的不同膠片，然后將它們堆疊在一起，而不管其晶體圖案如何。

“這項(xiàng)工作的全局是，您可以在一個(gè)地方將完全不同的材料結(jié)合在一起，”金說。“現(xiàn)在，您可以想象一個(gè)薄而靈活的設(shè)備，它由包括傳感器，計(jì)算系統(tǒng)，電池，太陽能電池在內(nèi)的各層組成，因此您可以擁有一個(gè)靈活的，自供電，物聯(lián)網(wǎng)的堆疊芯片。”

該團(tuán)隊(duì)正在探索各種半導(dǎo)體薄膜的組合，并正在開發(fā)原型設(shè)備，例如金稱其為“電子紋身”的東西-一種柔性，透明的芯片，可以附著并貼合人體，以感知并無線中繼重要生命溫度和脈沖等信號。

“我們現(xiàn)在可以制造出具有最高功能的薄型，柔性，可穿戴電子設(shè)備，”金說。“只剝下并堆放。”