De overgrote meerderheid van de huidige computerapparatuur is gemaakt van silicium, het op één na meest voorkomende element op aarde, na zuurstof. Silicium komt in verschillende vormen voor in gesteenten, klei, zand, en bodem. En hoewel het niet het beste halfgeleidende materiaal is dat er op de planeet bestaat, het is verreweg het gemakkelijkst verkrijgbaar. Als zodanig, silicium is het dominante materiaal dat in de meeste elektronische apparaten wordt gebruikt, inclusief sensoren, zonnepanelen, en de geïntegreerde schakelingen in onze computers en smartphones.

Nu hebben MIT-ingenieurs een techniek ontwikkeld om ultradunne halfgeleidende films te maken die zijn gemaakt van een groot aantal andere exotische materialen dan silicium. Om hun techniek te demonstreren, de onderzoekers maakten flexibele films van galliumarsenide, galliumnitride, en lithiumfluoride-materialen die betere prestaties vertonen dan silicium, maar tot nu toe onbetaalbaar waren om te produceren in functionele apparaten.

De nieuwe techniek, onderzoekers zeggen, biedt een kosteneffectieve methode om flexibele elektronica te fabriceren die is gemaakt van elke combinatie van halfgeleidende elementen, die beter zouden kunnen presteren dan de huidige op silicium gebaseerde apparaten.

"We hebben een manier gevonden om flexibele elektronica te maken met zoveel verschillende materiaalsystemen, anders dan silicium, " zegt Jeehwan Kim, the Class of 1947 Career Development Associate Professor in de afdelingen Werktuigbouwkunde en Materials Science and Engineering. Kim stelt zich voor dat de techniek kan worden gebruikt om goedkope, krachtige apparaten zoals flexibele zonnecellen, en draagbare computers en sensoren.

Details van de nieuwe techniek worden vandaag gerapporteerd in Natuurmaterialen . Naast Kim, de MIT-co-auteurs van het papier zijn onder meer Wei Kong, Huashan Li, Kuan Qiao, Yunjo Kim, Kyusang Lee, Doyoon Lee, Tom Osadchy, Richard Molnar, Yang Yu, Sang-hoon Bae, Yang Shao-Hoorn, en Jeffrey Grossman, samen met onderzoekers van de Sun Yat-Sen University, de Universiteit van Virginia, de Universiteit van Texas in Dallas, het U.S. Naval Research Laboratory, Universiteit van Ohio, en Georgia Tech.

Nu zie je het, nu doe je dat niet

in 2017, Kim en zijn collega's bedachten een methode om "kopieën" te maken van dure halfgeleidende materialen met behulp van grafeen - een atomair dunne laag koolstofatomen gerangschikt in een zeshoekige, patroon van kippengaas. Ze ontdekten dat wanneer ze grafeen op een pure, dure wafel van halfgeleidend materiaal zoals galliumarsenide, dan stroomden atomen gallium en arsenide over de stapel, de atomen leken op de een of andere manier te interageren met de onderliggende atoomlaag, alsof het tussenliggende grafeen onzichtbaar of transparant is. Als resultaat, de atomen samengevoegd tot de precieze, eenkristallijn patroon van de onderliggende halfgeleidende wafel, een exacte kopie vormen die vervolgens gemakkelijk van de grafeenlaag kan worden afgepeld.

De techniek, die ze "remote epitaxie, " bood een betaalbare manier om meerdere films van galliumarsenide te fabriceren, met slechts één dure onderliggende wafer.

Kort nadat ze hun eerste resultaten rapporteerden, het team vroeg zich af of hun techniek zou kunnen worden gebruikt om andere halfgeleidende materialen te kopiëren. Ze probeerden epitaxie op afstand toe te passen op silicium, en ook germanium - twee goedkope halfgeleiders - maar ontdekten dat wanneer ze deze atomen over grafeen lieten stromen, ze geen interactie aangingen met hun respectieve onderliggende lagen. Het was alsof grafeen, voorheen transparant, werd plotseling ondoorzichtig, voorkomen dat atomen van silicium en germanium de atomen aan de andere kant "zien".

Zoals het gebeurt, silicium en germanium zijn twee elementen die in dezelfde groep van het periodiek systeem der elementen voorkomen. specifiek, de twee elementen horen in groep vier, een klasse van materialen die ionisch neutraal zijn, wat betekent dat ze geen polariteit hebben.

"Dit gaf ons een hint, " zegt Kim.

Misschien, redeneerde het team, atomen kunnen alleen met elkaar communiceren via grafeen als ze een ionische lading hebben. Bijvoorbeeld, in het geval van galliumarsenide, gallium heeft een negatieve lading aan het grensvlak, vergeleken met de positieve lading van arseen. Dit ladingsverschil, of polariteit, kan de atomen hebben geholpen om door grafeen te interageren alsof het transparant was, en om het onderliggende atomaire patroon te kopiëren.

"We ontdekten dat de interactie door grafeen wordt bepaald door de polariteit van de atomen. Voor de sterkste ionisch gebonden materialen, ze interageren zelfs door drie lagen grafeen, " zegt Kim. "Het is vergelijkbaar met de manier waarop twee magneten elkaar kunnen aantrekken, zelfs door een dun vel papier."

Tegenpolen trekken elkaar aan

De onderzoekers testten hun hypothese door epitaxie op afstand te gebruiken om halfgeleidende materialen met verschillende graden van polariteit te kopiëren, van neutraal silicium en germanium, tot licht gepolariseerd galliumarsenide, en tenslotte, sterk gepolariseerd lithiumfluoride - een betere, duurdere halfgeleider dan silicium.

Ze ontdekten dat hoe groter de mate van polariteit, hoe sterker de atomaire interactie, ook al, in sommige gevallen, door meerdere vellen grafeen. Elke film die ze konden maken was flexibel en slechts tientallen tot honderden nanometer dik.

Het materiaal waardoor de atomen op elkaar inwerken, is ook van belang, het team gevonden. Naast grafeen, experimenteerden ze met een tussenlaag van hexagonaal boornitride (hBN), een materiaal dat lijkt op het atomaire patroon van grafeen en een vergelijkbare Teflon-achtige kwaliteit heeft, waardoor overliggende materialen gemakkelijk kunnen loslaten zodra ze zijn gekopieerd.

Echter, hBN is gemaakt van tegengesteld geladen boor- en stikstofatomen, die een polariteit in het materiaal zelf genereren. In hun experimenten, de onderzoekers ontdekten dat alle atomen die over hBN stromen, zelfs als ze zelf sterk gepolariseerd waren, waren niet in staat om volledig te interageren met hun onderliggende wafels, wat suggereert dat de polariteit van zowel de van belang zijnde atomen als het tussenliggende materiaal bepaalt of de atomen zullen interageren en een kopie vormen van de originele halfgeleidende wafel.

"Nu begrijpen we echt dat er regels zijn voor atomaire interactie via grafeen, ' zegt Kim.

Met dit nieuwe inzicht hij zegt, onderzoekers kunnen nu eenvoudig naar het periodiek systeem kijken en twee elementen van tegengestelde lading kiezen. Zodra ze een van dezelfde elementen gemaakte hoofdwafel verwerven of fabriceren, ze kunnen dan de epitaxietechnieken op afstand van het team toepassen om meerdere, exacte kopieën van de originele wafer.

"Mensen hebben meestal siliciumwafels gebruikt omdat ze goedkoop zijn, " zegt Kim. "Nu opent onze methode een manier om beter presterende, niet-silicium materialen. Je kunt gewoon een dure wafer kopen en deze keer op keer kopiëren, en blijf de wafer opnieuw gebruiken. En nu is de materiaalbibliotheek voor deze techniek volledig uitgebreid."

Kim stelt zich voor dat epitaxie op afstand nu kan worden gebruikt om ultradunne, flexibele films van een breed scala aan voorheen exotische, halfgeleidende materialen - zolang de materialen zijn gemaakt van atomen met een mate van polariteit. Dergelijke ultradunne films kunnen mogelijk worden gestapeld, de een boven de ander, produceren kleine, flexibel, multifunctionele apparaten, zoals draagbare sensoren, flexibele zonnecellen, en zelfs, in de verre toekomst, "mobiele telefoons die aan je huid hechten."

"In slimme steden waar we misschien overal kleine computers zouden willen plaatsen, we zouden een laag vermogen nodig hebben, zeer gevoelige computer- en detectieapparatuur, gemaakt van betere materialen, " zegt Kim. "Deze [studie] ontgrendelt de weg naar die apparaten."