Как получить дешево дорогие материалы для гибкой электроники

8 октября 2018



На сегодняшний день при производстве большинства вычислительных устройств используется кремний, он считается вторым элементом по распространенности после кислорода. Кремниевые породы в разнообразных формах залегают в скалах, глине, песке, глубоких слоях почвы. Данный материал наиболее распространен и доступен для добычи, несмотря на то, что он не считается лучшим материалом по своим полупроводниковым свойствам. Следовательно, кремний относится к доминирующему веществу, нашедшему свое применение в большинстве электронных устройств, в том числе в датчиках, солнечных нагревательных элементах и интегральных схемах на компьютерах и смартфонах.

Исследователи MIT разработали способ выращивания тонкой пленки монокристалла GaN на подложке GaN, используя двумерные материалы. После копирования тонкую пленку GaN отслаивают с помощью гибкой подложки, вы видите радужную окраску, который возникает из-за интерференции пленки. Эта технология проложит путь к гибкой электронике и многократному использованию пластин дорогостоящих полупроводниковых материалов.

Недавно инженерами Массачусетского технологического института (MIT) была разработана и запатентована методика, направленная на изготовление сверхтонких подложек, имеющих полупроводниковые свойства, из различных экзотических материалов, не содержащих кремний. С целью демонстрации разработанной техники, исследователи при изготовлении гибких подложек использовали арсенид галлия, нитрид галлия и фторид лития. Указанные материалы выгодно отличаются повышенным показателем производительности в сравнении с кремнием. Но ранее их использование считалось неоправданно дорогостоящих в цикле производства функционально самостоятельных устройств. Опыт специалистов MIT и проведенные ими исследования показали, что открыт экономически эффективный метод производства гибкой электроники, позволяющий на практике получить из любых сочетаний элементов полупроводникового типа, имеющих более высокую эффективность работы, чем современные кремниевые устройства.

«Мы открыли новый путь для создания гибкой электроники из множества различных материалов», — говорит профессор факультета машиноведения и материаловедения и инженерии Чиван Ким. Он выразил предположение, что эта техника может быть использована для производства недорогих высокопроизводительных устройств, таких как гибкие солнечные элементы, а также носимые компьютеры и датчики.

Подробная описание новой техники опубликовано 8 октября 2018 года в «Nature Materials». Кроме профессора Ким в исследовании участвовали Вэй Конг, Хуашань Ли, Куан Цяо, Юньчжу Ким, Кюсанг Ли, Дойон Ли, Том Осадчи, Ричард Молнар, Ян Юй, Сангхун Бэ, Ян Шао-Хорн и Джеффри Гроссман из MIT, а также исследователи из Университета Сунь Ят-Сена, Университета Вирджинии, Техасского университета в Далласе, Военно-морской исследовательской лаборатории США, Государственного университета штата Огайо и Технологического института Джорджии.

В 2017 году Ким и его коллеги разработали метод создания «копий» дорогостоящих полупроводниковых материалов с использованием графена — атомарно тонкого листа углерода, атомы в котором расположены в виде сетки с гексагональнальными мелкоячеистыми паттернами . Они обнаружили, что, когда графен укладывался ими поверх чистой пластины дорогостоящего полупроводникового материала, такого, например, как арсенид галлия, атомы галлия и арсенида над укладкой начинали каким-то образом взаимодействовать с лежащим в основе атомарным слоем, как будто промежуточный графен был невидимым или прозрачным. В результате атомы собрались в однокристаллическую структуру, которая лежала в основе полупроводниковой пластины, образуя ее точную копию, легко отделяемую от слоя графена.

Техника, которую они называют «удаленной эпитаксией» (epi — на, над и taxis — структура, термин кристаллографии, обозначающий естественное или искусственное выращивание кристаллов на кристаллической основе, определяющей их ориентацию), обеспечила доступный способ изготовления нескольких пленок арсенида галлия с использованием всего одной дорогостоящей базовой пластины. После получения первых результатах, команда задалась вопросом, может ли их техника использоваться для копирования и других полупроводниковых материалов. Они пытались применить удаленную эпитаксию к кремнию, а также германию — двум недорогим полупроводникам, но обнаружили, что в этих случаях взаимодействия с их соответствующими нижележащими слоями не наблюдается. Казалось, графен, ранее прозрачный, внезапно стал непрозрачным, не позволяя атомам кремния и германия «видеть» атомы с другой стороны. «Так случилось, кремний и германий являются двумя элементами, которые существуют в пределах одной и той же группы периодической таблицы элементов. В частности, эти два элемента относятся к четвертой группе, к классу материалов, которые являются ионно-нейтральными, что означает, что они не имеют полярности, и это привело нас к разгадке», — говорит Ким.

Возможно, рассуждала команда, атомы могут взаимодействовать друг с другом через графен только если они имеют ионный заряд. Например, в случае арсенида галлия галлий имеет отрицательный заряд на границе раздела, по сравнению с положительным зарядом мышьяка. Эта разность зарядов или полярность, возможно, и помогают атомам взаимодействовать через графен, как будто бы он прозрачен, и скопировать исходный образец". Мы обнаружили, что взаимодействие через графен определяется полярностью атомов, материалы с сильными ионными связями взаимодействуют даже через три слоя графена«, — говорит Ким. «Это похоже на то, как два магнита могут взаимодействовать через лист бумаги».

Исследователи протестировали свою гипотезу, применив дистанционную эпитаксию для копирования полупроводниковых материалов с различной степенью полярности, начиная от нейтральных кремния и германия до слегка поляризованного галлия арсенида и заканчивая высокополяризованным фторидом лития, который является намного лучшим, но и намного более дорогим полупроводником, чем кремний. Они обнаружили, что чем больше степень полярности, тем сильнее взаимодействие атомов, в некоторых случаях, оно происходило даже через несколько листов графена. Каждая пленка, которую они изготавливали этим методом, была гибкой, а толщина составляла от нескольких десятков до сотен нанометров. Материал, через который взаимодействуют атомы, также имел значение. В дополнение к графену они экспериментировали с промежуточным слоем гексагонального нитрида бора (BN), материала с очень похожим на графеновый атомным рисунком, к тому же BN имеет тефлоноподобное свойство, благодаря чему полученные в результате копирования материалы легко отслаиваются.

Однако нитрид бора состоит из противоположно заряженных атомов бора и азота, которые генерируют полярность внутри него самого. В своих экспериментах исследователи обнаружили, что любые атомы, протекающие по BN, даже если они были сильно поляризованы сами, не могли полноценно взаимодействовать с лежащими в основании пластинами, что наводит на мысль, что полярность, как представляющих интерес атомов, так и промежуточного материала определяет, будут ли взаимодействие и формирование копии оригинальной полупроводниковой пластины.

«Теперь мы действительно убедились, что существуют правила взаимодействия атомов через графен», — говорит Ким. И с этим новым пониманием, по его словам, исследователи теперь могут предсказать нужное взаимодействие просто посмотрев на периодическую таблицу и выбрав два элементы противоположного заряда. После того, как они приобретут или изготовят основную пластину из какого от из нужных элементов, они могут, применив методы удаленной эпитаксии, изготовить нескольких точных копий этой материнской пластины. Человечество в основном используют кремниевые пластины, потому что они дешевы", — говорит Ким, "Наш метод открывает способ использования высокопроизводительных материалов не из кремнезема. Вы можете просто купить одну дорогостоящую пластину и копировать ее снова и снова, и снова. Теперь библиотека материалов для этой техники практически неограниченно расширена. «Ким предполагает, что удаленная эпитаксия теперь может быть использована для изготовления сверхтонких гибких подложек из широкого спектра ранее редких полупроводниковых материалов. Единственное условие — материалы должны состоять из атомов, имеющих определенную степень полярности. Такие сверхтонкие полупроводниковые подложки потенциально могут быть наложены друг на друга, чтобы создавать крошечные гибкие многофункциональные устройства, такие как носимые датчики, гибкие солнечные элементы и в отдаленном будущем даже «сотовые телефоны, которые прикрепляются к вашей коже». «В умных городах, где мы могли бы поместить маленькие компьютеры повсюду, нам понадобились бы маломощные, высокочувствительные вычислительные и сенсорные устройства, созданные из лучших материалов», — говорит Ким. «Это исследование открывает путь к созданию таких устройств».