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原子級晶體管制造在柔性材料上實現
發布時間:2021-06-21     作者:張佳欣   來源:科技日報   分享到:

  多年來,超薄、靈活的計算機電路一直是個工程目標,但技術障礙阻礙了實現高性能所需的設備小型化程度?,F在,美國斯坦福大學的研究人員發明了一種制造技術,可在柔性材料上生產出長度不到100納米的原子級薄晶體管。17日發表在《自然·電子學》上的一篇論文詳細介紹了這項技術。

  研究人員表示,隨著技術的進步,所謂的“柔性電子學”越來越接近現實。柔性電子產品可彎曲、可塑形且有高效的計算機電路,可穿戴或植入人體,執行與健康相關的任務。

  在適用于柔性電子產品的材料中,2D半導體因其出色的機械和電學性能,比傳統的硅或有機材料更有應用前景。

  迄今為止的工程挑戰是,形成這些幾乎不可能的薄設備需要一個過程,對柔性塑料基板來說,該過程熱強度太大,會導致這些柔性材料在生產過程中熔化和分解。

  此次,研究人員在一層涂有玻璃的實心硅板上,形成了一個原子級的2D半導體二硫化鉬薄膜,上面覆蓋著微小的納米圖案金電極。由于該步驟是在傳統的硅基板上進行的,因此可以使用現有的先進圖案化技術對納米級晶體管尺寸進行圖案化,從而實現在柔性塑料基板上無法達到的分辨率。

  被稱為化學氣相沉積的分層技術,一次只生長1層原子的二硫化鉬薄膜,厚度相當于3個原子,但需要溫度達到850攝氏度才能工作。相比之下,由聚酰亞胺制成的柔性基板在360攝氏度左右就會失去形狀,在更高的溫度下會完全分解。

  斯坦福大學的研究人員首先在堅硬的硅上形成這些關鍵部件的圖案,并讓它們冷卻,這樣就可以在不損壞的情況下應用這種柔性材料。只要在去離子水中簡單“洗個澡”,整個設備堆疊就會剝離,完全轉移到柔性聚酰亞胺上來。

  經過一些額外步驟后,研究人員制造出了柔性晶體管,其性能比以往用原子薄型半導體生產的任何晶體管都高出幾倍。研究人員說,雖然可以構建整個電路,將其轉移到柔性材料上,但后續層的某些復雜情況使得轉移后這些額外的步驟變得更容易。

  最終,包括柔性聚酰亞胺在內的整個結構只有5微米厚,約是人類頭發的十分之一,這意味著可在給定面積內安裝更多晶體管。同時,這些設備能在低電壓下運行時處理高電流,高性能、速度快、功耗低,且過程中可散熱。

  論文第一作者、斯坦福大學波普實驗室博士后學者阿爾文·道斯表示,他正在研究將無線電電路與設備相結合,這尤其對于那些植入人體內或深度集成到其他物聯網設備中的設備將是又一次技術飛躍。


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