原子級晶體管制造在柔性材料上實(shí)現(xiàn) 研究成果發(fā)表在《自然·電子學(xué)》

多年來，超薄、靈活的計(jì)算機(jī)電路一直是個工程目標(biāo)，但技術(shù)障礙阻礙了實(shí)現(xiàn)高性能所需的設(shè)備小型化程度。現(xiàn)在，美國斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種制造技術(shù)，可在柔性材料上生產(chǎn)出長度不到100納米的原子級薄晶體管。17日發(fā)表在《自然·電子學(xué)》上的一篇論文詳細(xì)介紹了這項(xiàng)技術(shù)。

研究人員表示，隨著技術(shù)的進(jìn)步，所謂的“柔性電子學(xué)”越來越接近現(xiàn)實(shí)。柔性電子產(chǎn)品可彎曲、可塑形且有高效的計(jì)算機(jī)電路，可穿戴或植入人體，執(zhí)行與健康相關(guān)的任務(wù)。

在適用于柔性電子產(chǎn)品的材料中，2D半導(dǎo)體因其出色的機(jī)械和電學(xué)性能，比傳統(tǒng)的硅或有機(jī)材料更有應(yīng)用前景。

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

此次，研究人員在一層涂有玻璃的實(shí)心硅板上，形成了一個原子級的2D半導(dǎo)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(tǒng)的硅基板上進(jìn)行的，因此可以使用現(xiàn)有的先進(jìn)圖案化技術(shù)對納米級晶體管尺寸進(jìn)行圖案化，從而實(shí)現(xiàn)在柔性塑料基板上無法達(dá)到的分辨率。

被稱為化學(xué)氣相沉積的分層技術(shù)，一次只生長1層原子的二硫化鉬薄膜，厚度相當(dāng)于3個原子，但需要溫度達(dá)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(xué)的研究人員首先在堅(jiān)硬的硅上形成這些關(guān)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(yīng)用這種柔性材料。只要在去離子水中簡單“洗個澡”，整個設(shè)備堆疊就會剝離，完全轉(zhuǎn)移到柔性聚酰亞胺上來。

經(jīng)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(dǎo)體生產(chǎn)的任何晶體管都高出幾倍。研究人員說，雖然可以構(gòu)建整個電路，將其轉(zhuǎn)移到柔性材料上，但后續(xù)層的某些復(fù)雜情況使得轉(zhuǎn)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(nèi)的整個結(jié)構(gòu)只有5微米厚，約是人類頭發(fā)的十分之一，這意味著可在給定面積內(nèi)安裝更多晶體管。同時，這些設(shè)備能在低電壓下運(yùn)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(xué)波普實(shí)驗(yàn)室博士后學(xué)者阿爾文·道斯表示，他正在研究將無線電電路與設(shè)備相結(jié)合，這尤其對于那些植入人體內(nèi)或深度集成到其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的設(shè)備將是又一次技術(shù)飛躍。(實(shí)習(xí)記者張佳欣)