采用全新“剥离并堆叠”方法制造的下一代设备，可能包括可佩戴在皮肤上的电子芯片。
任何电子设备的核心都是一枚冰冷坚硬的计算机芯片，其上覆盖着由晶体管和其他半导体元件构成的微型“城市”。由于计算机芯片是刚性的，由它们驱动的电子设备——例如智能手机、笔记本电脑、手表和电视——也同样缺乏柔韧性。
如今，麻省理工学院工程师开发的一种工艺，或许是以经济高效的方式制造具备多种功能的柔性电子设备的关键。
这项工艺称为“远程外延”，其做法是在一块大型厚晶圆上生长半导体材料薄膜；晶圆由同一种材料制成，并覆盖着一层石墨烯中间层。研究人员长成半导体薄膜后，可以将其从覆有石墨烯的晶圆上剥离，再重复使用晶圆；晶圆本身的成本可能很高，具体取决于其所用材料。这样一来，研究团队就能利用同一块底层晶圆，复制并剥离任意数量的柔性半导体薄膜。
在今天发表于期刊《自然》的一篇论文中，研究人员证明，他们可以利用远程外延制备任何功能材料的自支撑薄膜。更重要的是，他们可以将不同材料制成的薄膜堆叠起来，制造柔性多功能电子设备。
研究人员预计，这项工艺可用于制造多种用途的可拉伸电子薄膜，包括支持虚拟现实的隐形眼镜、能够贴合汽车轮廓并由太阳能供电的外皮、可根据天气变化作出响应的电子织物，以及其他此前看似只会出现在漫威电影中的柔性电子设备。
“你可以运用这项技术，混合搭配任何半导体材料，在一枚柔性芯片中实现新的设备功能，”麻省理工学院机械工程副教授金智焕（Jeehwan Kim）说。“你可以制造任何形状的电子设备。”
金智焕的合著者包括麻省理工学院的 Hyun S. Kum、Sungkyu Kim、Wei Kong、Kuan Qiao、Peng Chen、Jaewoo Shim、Sang-Hoon Bae、Chanyeol Choi、Luigi Ranno、Seungju Seo、Sangho Lee、Jackson Bauer 和 Caroline Ross，以及来自威斯康星大学麦迪逊分校、康奈尔大学、弗吉尼亚大学、宾夕法尼亚州立大学、中山大学和韩国原子能研究院的合作者。
争取时间
金智焕及其同事于2017年报告了他们利用远程外延取得的首批成果。随后，他们先在一块由多种稀有金属组成的厚而昂贵的晶圆上放置一层石墨烯，再成功制成半导体材料的柔性薄膜。他们让每种金属的原子流经覆有石墨烯的晶圆，发现这些原子会在石墨烯上方形成薄膜，其晶体排列与底层晶圆相同。石墨烯提供了一个不粘的表面，研究人员可以从中剥离新薄膜，同时保留覆有石墨烯、可供重复使用的晶圆。
2018年，研究团队展示了他们可以利用远程外延，用元素周期表第3族和第5族的金属制造半导体材料，但无法用第4族金属制造。他们发现，原因归结于极性，也就是流经石墨烯的原子与底层晶圆中的原子各自所带的电荷。
认识到这一点后，金智焕及其同事尝试了多种日益复杂的半导体组合。正如这篇新论文所述，研究团队利用远程外延，以复杂氧化物制造柔性半导体薄膜——复杂氧化物是由氧和至少两种其他元素组成的化合物。复杂氧化物具有多种电学和磁学特性，其中一些组合在受到物理拉伸或暴露于磁场时能够产生电流。
金智焕表示，制造复杂氧化物柔性薄膜的能力，或可为新型能量采集设备打开大门，例如能够响应振动而拉伸并因此发电的薄片或覆盖层。迄今为止，复杂氧化物材料只能在毫米厚的刚性晶圆上制造，柔韧性有限，因而能量产生潜力也有限。
研究人员确实需要调整工艺，才能制造复杂氧化物薄膜。他们最初发现，尝试制造钛酸锶这类复杂氧化物（由锶、钛和三个氧原子组成的化合物）时，流经石墨烯的氧原子往往会与石墨烯的碳原子结合，蚀去部分石墨烯，而不是遵循底层晶圆的排列并与锶和钛结合。研究人员采用了一个出人意料的简单办法：再加一层石墨烯。
“我们发现，等第一层石墨烯被蚀去时，氧化物化合物已经形成。因此，氧元素一旦形成这些目标化合物，就不会再与石墨烯发生那么强的相互作用，”金智焕解释说。“所以，两层石墨烯为这种化合物的形成争取了一些时间。”
剥离并堆叠
研究团队运用调整后的新工艺，以多种复杂氧化物材料制成薄膜；每制成一层厚度为100纳米的薄膜，就将其剥离。他们还成功将不同复杂氧化物材料的薄层堆叠在一起，并通过稍微加热使其有效粘合，从而制成柔性多功能设备。
“这是首次展示如何像乐高积木一样堆叠多层纳米级薄膜。此前这不可能实现，因为所有功能性电子材料都以厚晶圆的形式存在，”金智焕说。
在一项实验中，研究团队堆叠了两种不同复杂氧化物的薄膜：一种是已知会在磁场中膨胀的钴铁氧体，另一种是拉伸时会产生电压的材料 PMN-PT。研究人员将多层薄膜置于磁场中时，两层材料协同作用，既发生膨胀，又产生微小电流。
研究结果表明，远程外延可用于将具有不同功能的材料组合起来制造柔性电子设备；这些材料此前很难集成到同一设备中。以钴铁氧体和 PMN-PT 为例，两种材料的晶体排列各不相同。金智焕表示，传统外延技术是在一块晶圆上以高温生长材料，只有晶体排列相匹配的材料才能组合。他说，利用远程外延，研究人员可以使用不同且可重复利用的晶圆，制备任意数量的不同薄膜，再将它们堆叠在一起，不受晶体排列是否相同的限制。
“这项工作的整体意义在于，你可以把完全不同的材料组合在同一个地方，”金智焕说。“现在你可以想象一种薄而柔性的设备，由多个层构成，其中包括传感器、计算系统、电池和太阳能电池。这样你就能拥有一枚柔性、自供电的物联网堆叠芯片。”
研究团队正在探索半导体薄膜的各种组合，并着手开发原型设备，例如金智焕称为“电子纹身”的设备——一种柔性透明芯片，可以贴附并贴合人体，感测体温和脉搏等生命体征，并通过无线方式传送这些信息。
“我们现在能够制造功能性极强的薄型柔性可穿戴电子设备，”金智焕说。“只要剥下来，再堆叠起来就行。”
这项研究是麻省理工学院与威斯康星大学麦迪逊分校研究人员密切合作的成果，并获得美国国防高级研究计划局的支持。
