De allra flesta datorenheter idag är gjorda av kisel, det näst vanligaste grundämnet på jorden, efter syre. Kisel finns i olika former i bergarter, lera, sand, och jord. Och även om det inte är det bästa halvledande materialet som finns på planeten, det är överlägset det mest lättillgängliga. Som sådan, kisel är det dominerande materialet som används i de flesta elektroniska enheter, inklusive sensorer, solceller, och de integrerade kretsarna i våra datorer och smartphones.

Nu har MIT-ingenjörer utvecklat en teknik för att tillverka ultratunna halvledande filmer gjorda av en mängd andra exotiska material än kisel. För att visa sin teknik, forskarna tillverkade flexibla filmer gjorda av galliumarsenid, galliumnitrid, och litiumfluorid - material som uppvisar bättre prestanda än kisel men som hittills har varit oöverkomligt dyra att tillverka i funktionella enheter.

Den nya tekniken, forskare säger, ger en kostnadseffektiv metod för att tillverka flexibel elektronik gjord av valfri kombination av halvledande element, som skulle kunna prestera bättre än nuvarande kiselbaserade enheter.

"Vi har öppnat ett sätt att göra flexibel elektronik med så många olika materialsystem, annat än kisel, " säger Jeehwan Kim, klassen 1947 Karriärutveckling Docent vid avdelningarna för maskinteknik och materialvetenskap och teknik. Kim föreställer sig att tekniken kan användas för att tillverka till låg kostnad, högpresterande enheter som flexibla solceller, och bärbara datorer och sensorer.

Detaljer om den nya tekniken rapporteras idag i Naturmaterial . Förutom Kim, tidningens MIT-medförfattare inkluderar Wei Kong, Huashan Li, Kuan Qiao, Yunjo Kim, Kyusang Lee, Doyoon Lee, Tom Osadchy, Richard Molnar, Yang Yu, Sang-hoon Bae, Yang Shao-Horn, och Jeffrey Grossman, tillsammans med forskare från Sun Yat-Sen University, University of Virginia, University of Texas i Dallas, U.S. Naval Research Laboratory, Ohio State University, och Georgia Tech.

Nu ser du det, nu gör du inte det

År 2017, Kim och hans kollegor utarbetade en metod för att producera "kopior" av dyra halvledande material med grafen - ett atomärt tunt ark av kolatomer ordnade i en hexagonal, kycklingtrådsmönster. De upptäckte att när de staplade grafen ovanpå en ren, dyr skiva av halvledande material som galliumarsenid, sedan flödade atomer av gallium och arsenid över stapeln, atomerna verkade interagera på något sätt med det underliggande atomskiktet, som om den mellanliggande grafenen var osynlig eller genomskinlig. Som ett resultat, atomerna samlade till den exakta, enkristallint mönster av den underliggande halvledande skivan, bildar en exakt kopia som sedan lätt kunde skalas bort från grafenskiktet.

Tekniken, som de kallar "fjärrepitaxi, " gav ett prisvärt sätt att tillverka flera filmer av galliumarsenid, använder bara en dyr underliggande wafer.

Strax efter att de rapporterade sina första resultat, teamet undrade om deras teknik kunde användas för att kopiera andra halvledande material. De försökte applicera fjärrepitaxi på kisel, och även germanium – två billiga halvledare – men fann att när de flödade dessa atomer över grafen misslyckades de med att interagera med sina respektive underliggande lager. Det var som om grafen, tidigare transparent, blev plötsligt ogenomskinlig, hindrar kisel- och germaniumatomer från att "se" atomerna på andra sidan.

När det händer, kisel och germanium är två grundämnen som finns inom samma grupp av grundämnenas periodiska system. Specifikt, de två elementen tillhör grupp fyra, en klass av material som är joniskt neutrala, vilket betyder att de inte har någon polaritet.

"Detta gav oss en ledtråd, säger Kim.

Kanske, laget resonerade, atomer kan bara interagera med varandra genom grafen om de har någon jonladdning. Till exempel, när det gäller galliumarsenid, gallium har en negativ laddning vid gränssnittet, jämfört med arseniks positiva laddning. Denna avgiftsskillnad, eller polaritet, kan ha hjälpt atomerna att interagera genom grafen som om det vore genomskinligt, och att kopiera det underliggande atommönstret.

"Vi fann att interaktionen genom grafen bestäms av atomernas polaritet. För de starkaste jonbundna materialen, de interagerar även genom tre lager av grafen, " säger Kim. "Det liknar hur två magneter kan attrahera, även genom ett tunt pappersark."

Motsatser lockar

Forskarna testade sin hypotes genom att använda fjärrepitaxi för att kopiera halvledande material med olika grader av polaritet, från neutralt kisel och germanium, till lätt polariserad galliumarsenid, och slutligen, högpolariserad litiumfluorid – en bättre, dyrare halvledare än kisel.

De fann att ju högre grad av polaritet, ju starkare atomär interaktion, även, i vissa fall, genom flera ark grafen. Varje film de kunde producera var flexibel och bara tio till hundratals nanometer tjock.

Materialet genom vilket atomerna interagerar spelar också roll, laget hittade. Förutom grafen, de experimenterade med ett mellanskikt av hexagonal bornitrid (hBN), ett material som liknar grafens atommönster och har en liknande teflonliknande kvalitet, gör att överliggande material lätt kan lossna när de väl har kopierats.

Dock, hBN är gjord av motsatt laddade bor- och kväveatomer, som genererar en polaritet i själva materialet. I sina experiment, forskarna fann att alla atomer som flödar över hBN, även om de själva var mycket polariserade, kunde inte interagera med deras underliggande wafers helt, vilket tyder på att polariteten för både atomerna av intresse och mellanmaterialet avgör om atomerna kommer att interagera och bilda en kopia av den ursprungliga halvledande skivan.

"Nu förstår vi verkligen att det finns regler för atomär interaktion genom grafen, " säger Kim.

Med denna nya förståelse, han säger, Forskare kan nu helt enkelt titta på det periodiska systemet och välja två element med motsatt laddning. När de väl skaffar eller tillverkar en huvudskiva gjord av samma element, de kan sedan tillämpa teamets avlägsna epitaxitekniker för att tillverka flera, exakta kopior av originalskivan.

"Folk har mest använt kiselwafers eftersom de är billiga, " säger Kim. "Nu öppnar vår metod upp ett sätt att använda högre presterande, icke-kiselmaterial. Du kan bara köpa en dyr oblat och kopiera den om och om igen, och fortsätt återanvända wafern. Och nu har materialbiblioteket för denna teknik utökats totalt."

Kim föreställer sig att fjärrepitaxi nu kan användas för att tillverka ultratunna, flexibla filmer från en mängd olika tidigare exotiska, halvledande material - så länge materialen är gjorda av atomer med en viss polaritet. Sådana ultratunna filmer skulle potentiellt kunna staplas, den ena på den andra, att producera små, flexibel, multifunktionella enheter, såsom bärbara sensorer, flexibla solceller, och även, i en avlägsen framtid, "mobiler som fäster på din hud."

"I smarta städer, där vi kanske vill placera små datorer överallt, vi skulle behöva låg effekt, mycket känsliga dator- och avkänningsenheter, gjorda av bättre material, " säger Kim. "Denna [studie] låser upp vägen till dessa enheter."