如今，绝大多数计算设备都由硅制成。硅是地球上含量第二丰富的元素，仅次于氧。岩石、黏土、沙子和土壤中都能找到不同形态的硅。虽然硅并非地球上性能最好的半导体材料，却是迄今最容易获取的材料。因此，硅成为大多数电子设备的主要材料，包括传感器、太阳能电池，以及电脑和智能手机中的集成电路。
如今，麻省理工学院的工程师开发出一种技术，可用多种硅以外的特殊材料制造超薄半导体薄膜。为展示这项技术，研究人员制造了由砷化镓、氮化镓和氟化锂制成的柔性薄膜——这些材料的性能优于硅，但迄今为止，用它们制造功能性器件的成本高得令人望而却步。
研究人员表示，这项新技术提供了一种经济高效的方法，可用任意组合的半导体元素制造柔性电子器件，其性能可能优于现有的硅基器件。
“我们开辟了一条道路，可以用硅以外的许多不同材料体系制造柔性电子器件。”Jeehwan Kim说。他是机械工程系和材料科学与工程系1947届职业发展副教授。Kim设想，这项技术可用于制造低成本、高性能器件，例如柔性太阳能电池，以及可穿戴电脑和传感器。
这项新技术的详情于今日发表于《自然·材料》。除Kim外，论文的麻省理工学院合著者还包括Wei Kong、Huashan Li、Kuan Qiao、Yunjo Kim、Kyusang Lee、Doyoon Lee、Tom Osadchy、Richard Molnar、Yang Yu、Sang-hoon Bae、Yang Shao-Horn和Jeffrey Grossman，此外还有来自中山大学、弗吉尼亚大学、得克萨斯大学达拉斯分校、美国海军研究实验室、俄亥俄州立大学和佐治亚理工学院的研究人员。
忽隐忽现
2017年，Kim及其同事设计出一种方法，利用石墨烯制造昂贵半导体材料的“复制品”。石墨烯是一层原子厚的碳原子薄片，原子排列成六边形蜂窝状结构。他们发现，将石墨烯叠放在砷化镓等纯净、昂贵的半导体材料晶圆上，再让镓原子和砷原子流经这一叠层时，这些原子似乎会以某种方式与下方的原子层相互作用，仿佛中间的石墨烯隐形或透明。结果，这些原子按照下方半导体晶圆精确的单晶排列组装起来，形成一个完全相同的复制品，之后可以轻松地从石墨烯层上剥离。
他们称这项技术为“远程外延”，它提供了一种经济实惠的方法，只用一片昂贵的底层晶圆就能制造多片砷化镓薄膜。
他们不久之后公布了首批研究结果，团队便开始思考能否用这项技术复制其他半导体材料。他们尝试将远程外延用于硅和锗这两种廉价半导体，却发现让这些原子流经石墨烯时，它们无法与各自下方的材料层相互作用。仿佛原本透明的石墨烯突然变得不透明，阻止硅原子和锗原子“看见”另一侧的原子。
事实上，硅和锗在元素周期表中属于同一族。具体来说，这两种元素都属于第四族，这类材料在离子层面呈中性，也就是说没有极性。
“这给了我们一个线索。”Kim说。
团队推测，原子或许只有带有一定离子电荷，才能透过石墨烯彼此相互作用。例如，在砷化镓中，镓在界面处带负电，而砷带正电。这种电荷差异，也就是极性，可能帮助原子透过石墨烯相互作用，仿佛石墨烯是透明的，并复制下方的原子排列。
“我们发现，原子透过石墨烯产生的相互作用取决于原子的极性。对于离子键最强的材料，即使隔着三层石墨烯，它们也能相互作用。”Kim说。“这类似于两块磁铁隔着一张薄纸仍能相互吸引。”
异性相吸
研究人员使用远程外延复制不同极性的半导体材料，以此检验他们的假设。材料涵盖了呈中性的硅和锗、极性较弱的砷化镓，以及极性很强的氟化锂；后者是比硅性能更好、价格也更高的半导体。
他们发现，极性越强，原子间的相互作用也越强，有时即使隔着多层石墨烯也是如此。他们能够制成的每片薄膜都具有柔性，厚度仅为几十至几百纳米。
团队还发现，原子相互作用所经由的材料也很重要。除了石墨烯，他们还试验了六方氮化硼（hBN）中间层。这种材料的原子排列与石墨烯相似，也具有类似特氟龙的特性，使复制后的上层材料能够轻松剥离。
然而，hBN由带相反电荷的硼原子和氮原子构成，因此材料本身具有极性。在实验中，研究人员发现，任何流经hBN的原子，即使本身极性很强，也无法与下方晶圆充分相互作用。这表明，目标原子和中间材料两者的极性，共同决定原子能否相互作用并形成原始半导体晶圆的复制品。
“现在我们真正理解了原子透过石墨烯相互作用的规律。”Kim说。
他说，有了这一新认识，研究人员现在只需查看元素周期表，挑选两种带相反电荷的元素。获得或制造出一片由相同元素制成的主晶圆后，他们就可以运用团队的远程外延技术，制造出多片与原始晶圆完全相同的复制品。
“人们过去主要使用硅晶圆，因为它们便宜。”Kim说。
“现在，我们的方法开辟了一条道路，可以使用性能更高的非硅材料。你只需购买一片昂贵的晶圆，就能一再复制，并不断重复使用这片晶圆。而且，这项技术适用的材料种类如今大大扩展了。”
Kim设想，远程外延如今可用于用种类繁多、以往较为特殊的半导体材料制造超薄柔性薄膜——前提是这些材料由具有一定极性的原子构成。这些超薄薄膜有望一层层叠放，制成小巧、柔性、多功能的器件，例如可穿戴传感器、柔性太阳能电池，甚至在遥远的未来，制成“能贴在皮肤上的手机”。
“在智慧城市中，我们可能希望到处都部署小型计算机，因此需要由更优材料制成的低功耗、高灵敏度计算和传感设备。”Kim说。“这项研究为实现这些设备开辟了道路。”
这项研究部分获得了美国国防高级研究计划局、能源部、空军研究实验室、LG电子、Amore Pacific、LAM Research和Analog Devices的支持。
