如果你觉得手持式电子装置已经够小而无法再进一步微缩时,半导体架构的一项突破,可能就是技术更进一步小型化的关键。

美国芝加哥大学(University of Chicago)和康奈尔大学(Cornell University)的研究人员合作,实现了一种能生长厚度仅几个原子的硅薄膜制造方法,并使其得以彼此上下堆栈多层,就像一迭「便利贴」(Post-IT)一样。藉由这种堆栈微型半导体的方式,科学家和工程师就能让手机等个人电子装置到太阳能电池等各种电子产品的尺寸进一步缩小。

截至目前为止,这些硅薄膜层在彼此的顶部生长,限制了可用于制造的材料。这意味着「生长」这些薄层的过程必须能够承受极高温度的材料。研究人员采用的方法是单独制作薄膜,,然后再将材料置于真空中进行剥离,最后再像「便利贴」一样堆栈并连接各层薄膜;这种新方法不需要加热,因为每一层都是单独建构后再放置在彼此之上。这使得研究人员能够在分层之间制作弱键接合,以取代传统的强共价键连接,因而使各层之间的干扰减少,让各自的表面完整性得以保持不变。

046ednc20171016 这种新方法让科学家们得以单独制作出仅有几个原子厚度的微形薄膜,并将它们像「便利贴」般地彼此堆栈于新型电子组件上,可望创造出无限的应用可能性...(来源:UChicago Creative)

研究人员并将薄膜置于装置中,以测试其电特性,结果显示其功能可按原子级设计,从而使其得以成为未来计算机芯片的基本组成。这种创新方法为半导体薄膜材料的应用带来了无数的可能性,不但能在水或塑料表面生长薄膜材料,还可以将薄膜材料浸入水中加以分离,或用离子束进行切割或蚀刻成型。

研究人员目前正探索一套简单且高性价比的完整途径。如果能够制作出仅原子厚的硅薄膜层,就可能使几乎所有的电子产品都能再进一步缩小。想象交错各个导体层并切换至3D电子组件或整个系统中。微机电系统(MEMS)也可以包含在这些分层中,以便在单一装置上提供所有的传感器与致动器。不需要驱动讯号,芯片功率降低,而性能则能持续提升。

然而,这种方法也存在一连串的问题。因为这些薄层本身只有几个原子厚,很难将它们精确地放在彼此之上。芝加哥大学化学系教授JiWoong Park说:「我们正考虑的问题难度就像是将精准地覆盖一块芝加哥般大小的塑料薄膜,而不至于产生任何气泡。」当材料本省的厚度达到原子级时,每一个独立的小原子都可能产生问题。

然而,这个创新的过程可能为许多技术和产业领域带来无数次的突破,甚至超越你的想象所及。Park说:「我们期望新的模型能加速新材料的发现,以及实现大规模的制造。」

(原文发表于Aspencore旗下EDN姐妹媒体Electronic Products,参考链接:Scientists create atoms-thick Post-It notes for solar cells and circuits ;Susan Hong编译)

20160630000123