工程师们混合和匹配材料来制造新的弹性电子产品

任何电子设备的核心都是一块冰冷、坚硬的计算机芯片,上面覆盖着一个由晶体管和其他半导体元素构成的微型城市。因为计算机芯片是刚性的,它们所驱动的电子设备,如智能手机、笔记本电脑、手表和电视,也同样是刚性的。

现在,麻省理工学院的工程师们开发的一种工艺,可能是以成本效益高的方式制造具有多种功能的柔性电子产品的关键。

这一过程被称为“远程外延”,包括在相同材料的大而厚的薄片上生长半导体材料的薄膜,该薄片覆盖在中间的石墨烯层上。一旦研究人员培育出一种半导体薄膜,他们就可以把它从覆盖着石墨烯的晶圆片上剥离出来,然后重新利用它。用这种方法,团队可以复制和剥离任意数量的薄的柔性半导体薄膜,使用相同的底层晶片。

在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中,研究人员证明他们可以使用远程外延技术生产任何功能材料的独立薄膜。更重要的是,他们可以将这些不同材料制成的薄膜堆叠起来,从而生产出灵活、多功能的电子设备。

研究人员预计,这个过程可以用于生产弹性电子电影各种各样的用途,包括虚拟reality-enabled隐形眼镜,太阳能皮模具的轮廓你的汽车,电子织物,对天气和其他灵活的电子产品,似乎直到现在奇迹的电影。

麻省理工学院机械工程副教授Jeehwan Kim说:“你可以用这种技术在一块柔性芯片中混合和匹配任何半导体材料,从而获得新的设备功能。”“你可以制造任何形状的电子产品。”

金正日的合作者包括Hyun s咕Sungkyu金姆,魏,Kuan俏,彭Chen Jaewoo垫片,sang hoon Bae,崔Chanyeol Luigi Ranno Seungju Seo, Sangho李,杰克逊鲍尔从麻省理工学院和卡罗琳·罗斯,以及从美国威斯康星大学麦迪逊分校的合作者,康奈尔大学,弗吉尼亚大学,宾州州立大学,中山大学,韩国原子能研究所。

购买时间

Kim和他的同事在2017年报道了他们首次使用远程外延的结果。然后,他们能够通过将一层石墨烯涂在由外来金属组合而成的昂贵的厚晶片上,从而生产出薄的柔性半导体材料薄膜。他们让每一种金属的原子在石墨烯覆盖的晶圆片上流动,发现原子在石墨烯上形成了一层薄膜,其晶体模式与下面的晶圆片相同。石墨烯提供了一种不粘的表面,研究人员可以从中剥离新的薄膜,留下覆盖着石墨烯的晶圆片,以便重新利用。

2018年,该团队证明,他们可以使用远程外延技术从元素周期表的第3组和第5组金属中制造半导体材料,但不能从第4组中制造半导体材料。他们发现,原因归结为极性,或者是流过石墨烯的原子与底层晶圆内原子之间的电荷。

意识到这一点后,Kim和他的同事尝试了许多越来越奇异的半导体组合。正如在这篇新论文中所报道的,该团队使用远程外延技术从复杂的氧化物(由氧和至少两种其他元素组成的化合物)中制造柔性半导体薄膜。众所周知,复杂的氧化物具有广泛的电和磁性质,当物理拉伸或暴露在磁场中时,一些组合可以产生电流。

金说,用复杂的氧化物制造柔性薄膜的能力可以为新的能源储存设备打开大门,比如可以根据振动拉伸的薄片或覆盖物,从而产生电力。到目前为止,复杂的氧化物材料只能在刚性的几毫米厚的晶片上制造,灵活性有限,因此产生能量的潜力有限。

研究人员不得不调整他们的工艺来制作复杂的氧化膜。他们最初发现,当他们试图使一个复杂的氧化物,如钛酸锶(复合的锶、钛和三个氧原子),他们流淌的氧原子在石墨烯与石墨烯的碳原子倾向于绑定,蚀刻掉后的石墨烯,而不是底层的锶、钛晶片的模式和绑定。作为一种出人意料的简单修复方法,研究人员添加了第二层石墨烯。

“我们发现,当石墨烯的第一层被腐蚀掉时,氧化物化合物已经形成,因此,单质氧一旦形成这些所需的化合物,就不会与石墨烯产生大量的相互作用,”Kim解释道。“因此,两层石墨烯为这种化合物的形成争取了一些时间。”

皮和堆栈

该团队使用他们最新的调整工艺,用多种复杂的氧化物材料制作薄膜,在制作过程中剥离每一层100纳米的薄膜。他们还能够将不同的复杂氧化物材料层堆叠在一起,并通过轻微加热将它们有效地粘合在一起,从而生产出一种灵活的多功能设备。

金说:“这是第一次演示如何堆叠多个纳米级的薄膜,就像乐高积木一样,这是不可能的,因为所有功能电子材料都以厚晶片的形式存在。”

在一项实验中,研究小组将两种不同的复合氧化物薄膜堆叠在一起:一种是已知在磁场中会膨胀的钴铁氧体,另一种是拉伸时会产生电压的PMN-PT材料。当研究人员将多层薄膜暴露在磁场中时,两层薄膜一起工作,使其膨胀并产生小电流。

结果表明,远程外延可以从具有不同功能的材料组合中制造柔性电子器件,而这些材料以前很难组合成一个器件。以钴铁氧体和PMN-PT为例,每种材料都有不同的结晶模式。金说,传统的外延技术是在一个晶片上高温生长材料,只有在晶型匹配的情况下才能结合材料。他说,利用远程外延技术,研究人员可以用不同的、可重复使用的晶片制作任意数量的不同薄膜,然后将它们堆叠在一起,而不管它们的晶体模式如何。

“这项工作的总体构想是,你可以在一个地方把完全不同的材料组合在一起,”Kim说。“现在你可以想象一种薄而灵活的设备,它由多层材料构成,包括传感器、计算系统、电池、太阳能电池,这样你就可以有一个灵活、自供电、物联网堆叠的芯片。”

团队正在探索半导体薄膜的各种组合,并致力于开发原型设备,如金的东西叫“电子纹身”——一种灵活的、透明的芯片可以连接并符合人体感知和无线接力生命体征如体温和脉搏。

“我们现在可以制造出具有最高功能的轻薄、灵活、可穿戴的电子产品,”Kim说。“剥下来堆起来。”

这项研究是麻省理工学院(MIT)和威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin at Madison)研究人员密切合作的结果,得到了美国国防高级研究计划局(Defense Advanced research Projects Agency)的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/flexible-electronics-stacks-chips-0205

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