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新的“剥离和堆叠”工艺可实现下一代设备和可伸缩电子设备

借助新技术,麻省理工学院的研究人员可以剥离和堆叠金属氧化物化合物的薄膜,这些化合物可以被设计为具有独特的磁性和电子特性

可以将这些膜混合并匹配以创建多功能,柔性的电子设备,例如太阳能皮肤和电子织物

图片来源:felice frankel

工程师混合并匹配材料以制造新的伸缩电子设备:采用新的剥离和堆叠方法制成的下一代设备可能包括皮肤上佩戴的电子芯片

任何电子设备的核心都是冷硬计算机芯片,覆盖在晶体管和其他半导体元件的微型城市中

由于计算机芯片是刚性的,因此它们供电的电子设备(例如我们的智能手机,笔记本电脑,手表和电视)也同样缺乏灵活性

现在,由麻省理工学院的工程师开发的工艺可能是以具有成本效益的方式制造具有多种功能的柔性电子产品的关键

该过程称为远程外延,涉及在相同材料的大而厚的晶片上生长半导体材料的薄膜,该晶片被石墨烯的中间层覆盖

研究人员一旦生长出半导体薄膜,就可以将其从覆盖石墨烯的晶片上剥离下来,然后再利用,根据其制造材料的类型,晶片本身可能是昂贵的

通过这种方式,团队可以使用相同的下层晶圆复制并剥离任意数量的柔性薄膜

在今天(2020年2月5日)在《自然》杂志上发表的一篇论文中,研究人员证明,他们可以使用远程外延来生产任何功能材料的独立膜

更重要的是,它们可以堆叠由这些不同材料制成的薄膜,以生产灵活的多功能电子设备

研究人员预计,该工艺可用于生产可拉伸的电子薄膜,用途广泛,包括启用虚拟现实的隐形眼镜,可塑造出汽车轮廓的太阳能皮肤,可响应天气的电子织物,以及直到现在为止看来还只是marvel电影中的其他柔性电子产品

麻省理工学院机械工程副教授jeehwan kim说,您可以使用此技术在一个柔性芯片中混合和匹配任何半导体材料,以具有新的设备功能

您可以制造任何形状的电子产品

kims的合著者包括hyun ,sungkyu kim,wei kong,kuan qiao,peng chen,jaewoo shim,sang-hoon bae,chanyolol choi,luigi ranno,seungju seo,sangho lee,jackson bauer和mit的caroline ross以及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所的合作者

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kim和他的同事在2017年报告了他们使用远程外延的第一个结果

然后,他们能够通过将石墨烯层放置在由多种稀有金属组合而成的厚而昂贵的晶片上来生产柔性的半导体薄膜

他们使每种金属的原子流过被石墨烯覆盖的晶片,并发现这些原子在石墨烯的顶部形成了与下层晶片相同的晶体图案的膜

石墨烯提供了一个不粘的表面,研究人员可以从该表面上剥离新膜,从而留下石墨烯覆盖的晶片,可以重复使用

在2018年,研究小组表明,他们可以使用远程外延从元素周期表的第3和5组中的金属制造半导体材料,而不是从第4组中的金属制造半导体材料

他们发现其原因归结为极性,或者归结为极性在石墨烯上流动的原子和下方晶圆中的原子

自从认识到这一点以来,金和他的同事们尝试了许多越来越奇特的半导体组合

正如本篇新论文所报道的那样,该团队使用远程外延技术由由氧和至少两种其他元素制成的复合氧化物化合物制成了柔性半导体膜

已知复合氧化物具有广泛的电和磁性能,并且某些组合在物理拉伸或暴露于磁场时会产生电流

麻省理工学院的研究人员从左到右分别是:关宽,金洁万,许贤s,卫刚,裴相勋,沉在宇,李相浩,崔灿烈

信用:宽乔

金说,制造具有复杂氧化物的柔性薄膜的能力可能会打开新的能量收集装置的新宝qq创造奇迹平台大门,例如薄片或覆盖物会因振动而拉伸,从而产生电能

到目前为止,复杂的氧化物材料仅在刚性,毫米厚的晶圆上制造,具有有限的柔韧性,因此产生的能量潜力也有限

研究人员确实不得不调整他们的工艺来制造复杂的氧化膜

他们最初发现,当他们试图制造诸如钛酸锶(锶,钛和三个氧原子的化合物)之类的复合氧化物时,流过石墨烯的氧原子倾向于与石墨烯的碳原子结合,从而被腐蚀掉

少量的石墨烯,而不是遵循下面的晶圆图案并与锶和钛结合

作为一个令人惊讶的简单解决方案,研究人员添加了第二层石墨烯

我们解释说,到第一层石墨烯被蚀刻掉时,氧化物化合物已经形成,因此一旦形成这些所需的化合物,元素氧就不会与石墨烯发生强烈的相互作用

因此,两层石墨烯需要一些时间才能形成这种化合物

剥皮和堆叠

该团队使用他们新调整的工艺,由多种复杂的氧化物材料制成薄膜,并在制作时剥离了每个100纳米薄的层

他们还能够将不同的复合氧化物材料堆叠在一起,并通过稍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,这是堆叠多层纳米薄膜(如乐高积木)的首次演示,这是不可能的,因为所有功能性电子材料都以厚晶片的形式存在

在一个实验中,研究小组将两种不同的复合氧化物的薄膜堆叠在一起:已知在磁场作用下会膨胀的钴铁氧体和拉伸后会产生电压的材料pmn-pt

当研究人员将多层膜暴露在磁场中时,两层共同作用以膨胀并产生小电流

结果表明,远程外延技术可用于由功能不同的材料组合制造柔性电子产品,这些功能以前很难组合成一个设备

在钴铁氧体和pmn-pt的情况下,每种材料都有不同的晶体图案

金说,传统的外延技术只能在一个晶片上高温生长材料,如果它们的晶体图案匹配,则只能结合材料

他说,通过外延外延,研究人员可以使用不同的可重复使用的晶圆制作任意数量的不同胶片,然后将它们堆叠在一起,而不管其晶体图案如何

金说,这项工作的大局是,您可以在一个地方将完全不同的材料结合在一起

现在,您可以想象一个薄而灵活的设备,它由包括传感器,计算系统,电池,太阳能电池在内的各层组成,因此您可以拥有一个灵活的,自供电,物联网的堆叠芯片

新宝GG创造奇迹 该团队正在探索各种半导体薄膜的组合,并正在开发原型设备,例如kim称电子纹身为一种柔性,透明的芯片,可以附着并贴合人体,以感应并无线传递温度等生命体征

和脉冲

kim说,我们现在可以制造出具有最高功能的薄型,柔性,可穿戴电子产品

只是剥离并堆叠起来

阅读晶体堆叠工艺为推动未来技术的新材料打开了几乎无限的可能性,以更多地了解这一突破

参考:hyun s. kum,hyungwoo lee,sungkyu kim,shane lindemann,wei kong,kuan qiao,peng chen,julian irwin,june hyuk lee,saien xie,shruti subramanian,jaewoo的单晶复合氧化物膜的异质整合shim,sang-hoon bae,chanyolol choi,luigi ranno,seungju seo,sangho lee,jackson bauer,lhuashan li,kyusang lee,joshua nson,caroline ,darrell om,mark owski,chang- beom eom和jeehwan kim,2020年2月5日,自然

这项研究得到了美国国防高级研究计划局的部分支持

新宝GG创造奇迹综合报道

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