二维半导体插图
用于2D半导体纳米图案与触头(左)和与转移结构(右)的柔性透明基底的照片转移过程的图示。(图片来源:维多利亚晨/阿尔文的DAU /流行实验室)

超薄,灵活的计算机电路一直工程目标多年,但技术障碍阻止必要的小型化的程度达到很高的性能。现在,研究在斯坦福大学发明了一种制造技术,该技术产生柔性的,原子级薄的晶体管的长度小于100个纳米 - 比以前小几倍。

同进,研究人员说,所谓的“伟创力”的举动更接近现实。柔性电子承诺可以戴,或者,植入人体进行无数的健康相关任务可弯曲,可成形,但节能的计算机电路。更重要的是,在我们生活中几乎所有的设备集成和互联,未来的“物联网,互联网”同样应伟创力中受益。

在柔性电子的合适材料中,二维(2D)半导体表现出了良好的前景,因为其优异的机械和电气性能,即使在纳米尺度上,使其比传统的硅或有机材料更好的候选者。

迄今为止,工程上的挑战是,制造这些几乎不可思议的薄器件需要一个过程,对于柔性塑料基板来说,这个过程的热量太大了。这些材料会在生产过程中简单地熔化和分解。

根据研究人员的说法,解决办法是一步一步来,从一个完全不灵活的基底开始。他们将二维半导体二硫化钼(MoS2)形成了原子薄膜,薄膜上覆盖着微小的纳米图案金电极,并覆盖在涂有玻璃的固态硅板上。因为这一步是在传统的硅衬底上完成的,所以纳米级晶体管尺寸可以用现有的先进的图案化技术进行图案化,实现在柔性塑料衬底上不可能实现的分辨率。

这种分层技术,被称为化学气相沉积(CVD),在时间长的原子的MoS 2一层的膜。所得到的膜是仅有三个原子厚,但要求温度达到850℃(1500°F)至工作。通过比较,在柔性基板 - 由聚酰亚胺制成的,薄的塑料 - 将失去它的形状某处大约360℃(680°F),和在较高温度下完全分解。

首先,斯坦福大学的研究人员在坚硬的硅上绘制和形成这些关键部件,并让它们冷却,从而可以在不损坏的情况下应用柔性材料。在去离子水中简单的沐浴,整个设备堆栈剥离回来,现在完全转移到柔性聚酰亚胺。

经过几个额外的制造步骤,结果是柔性晶体管的性能比以前用原子薄的半导体生产的要好几倍。研究人员说,虽然整个电路可以建立起来,然后转移到柔性材料上,但后续层的某些复杂性使转移后的这些额外步骤更容易。

“最后,整个结构是厚仅5微米,包括柔性聚酰亚胺,”埃里克流行教授说。“大十倍左右的厚度小于人的头发。”

虽然技术成果在柔性材料制造纳米级晶体管是在自己的权利显着,研究人员还描述了他们的设备为“高性能”,它在这方面的手段,他们能够处理高电流而在低电压下工作根据需要实现低功耗。

“这种缩减有几个好处,”道斯博士说。“当然,你可以在一个给定的空间里安装更多的晶体管,但你也可以在低电压下获得更高的电流——低功耗的高速。”

与此同时,在使用过程中,金金属触点会消散并扩散晶体管产生的热量,否则这种热量可能会危及柔性聚酰亚胺。

随着原型和专利申请的完成,Daus和Pop已经开始着手他们的下一个挑战,即改进这些设备。他们用另外两种原子薄半导体(MoSe2和WSe2)制造了类似的晶体管,以证明该技术的广泛适用性。

与此同时,道斯表示,他正在研究将无线电电路与这些设备集成,这将使未来的变种能够与外部世界进行无线通信这是伟创力迈向生存能力的又一重大飞跃,尤其是那些植入人体或与物联网其他设备深度集成的产品。

“这不仅是一个有前途的生产技术等等。我们已经实现了灵活性,密度,高性能和低功耗 - 所有在同一时间,”波普说。“这项工作将有望推动该技术在几个层次上。”

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