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斯坦福大学研发柔性电子的新制造技术,可生产小于100纳米的柔性原子薄型晶体管

2021-06-22 14:26:13 斯坦福大学 阅读:
据EDN了解,斯坦福大学的研究人员已经发明了一种制造技术,能够生产长度小于100纳米的柔性原子薄型晶体管——比以前小了几倍。这项技术在 6 月 17 日发表在Nature Electronics 上的一篇论文中有详细介绍。该项目研究人员将他们的进展称为"柔性电子学"……

据EDN了解,斯坦福大学的研究人员已经发明了一种制造技术,能够生产长度小于100纳米的柔性原子薄型晶体管——比以前小了几倍。这项技术在 6 月 17 日发表在Nature Electronics 上的一篇论文中有详细介绍。ksLednc

该项目研究人员将他们的进展称为"柔性电子学",研究人员表示,随着技术的进步,所谓的“柔性电子学”越来越接近现实。ksLednc

柔性电子产品的前景包括可弯曲、可塑形且节能的计算机电路,可用于可穿戴设备或植入人体以满足健康相关需求。ksLednc

更重要的是,柔性电路也有望对小型物联网设备非常有用。据研究人员称,即将到来的“物联网”,其中几乎我们生活中的每一个设备都与柔性电子产品集成和互连,同样应该从柔性电子产品中受益。ksLednc

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具有纳米图案触点的 2D 半导体的转移过程图示(左)和具有转移结构的柔性透明基板的照片(右)。图片来源:Victoria Chen/Alwin Daus/Pop LabksLednc

技术难点

在适用于柔性电子产品的材料中,二维 (2D) 半导体因其出色的机械和电气性能,即使在纳米级,也显示出前景,使其比传统的硅或有机材料更好。ksLednc

该团队必须克服的一个主要工程挑战是在不使用对柔性塑料基材来说太高热量的情况下形成薄而灵活的电子。在以前的生产方法中,柔性材料在生产过程中需要融化和分解。ksLednc

根据斯坦福大学电气工程教授 Eric Pop 和开发该技术的 Pop 实验室博士后学者 Alwin Daus 的说法,解决方案是从不灵活的基本基材开始分步进行。ksLednc

在涂有玻璃的实心固体硅板上,Pop 和 Daus 形成了一个原子级的二维半导体二硫化钼 (MoS2) 薄膜,上面覆盖着小的纳米图案金电极。由于此步骤是在传统的硅基板上执行的,因此可以使用现有的先进图案化技术对纳米级晶体管尺寸进行图案化,从而实现在柔性塑料基板上无法实现的分辨率。ksLednc

称为化学气相沉积 (CVD) 的分层技术一次生长一层原子的 MoS 2薄膜。由此产生的薄膜只有三个原子厚,但需要达到 850 摄氏度(超过 1500 华氏度)的温度才能工作。相比之下,由聚酰亚胺(一种薄塑料)制成的柔性基板很久以前就会在 360 摄氏度(680 华氏度)左右的某个地方失去形状,并在更高的温度下完全分解。ksLednc

通过首先在刚性硅上图案化和形成这些关键部件并让它们冷却,斯坦福大学的研究人员可以在不损坏的情况下应用柔性材料。通过简单的去离子水浴,整个设备堆栈向后剥离,现在完全转移到柔性聚酰亚胺上。ksLednc

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级薄半导体生产的任何晶体管都要高几倍。研究人员表示,虽然可以构建整个电路,然后将其转移到柔性材料上,但后续层的某些复杂性使转移后这些额外的步骤更容易。ksLednc

“最终,整个结构只有 5 微米厚,包括柔性聚酰亚胺,”该论文的高级作者波普说。“这比人的头发还要细十倍。”ksLednc

虽然在柔性材料上生产纳米级晶体管的技术成就本身就很引人注目,但研究人员还将他们的设备描述为“高性能”,在这种情况下,这意味着它们能够在低电压下运行时处理高电流,因为需要低功耗。ksLednc

“这种缩小规模有几个好处,”该论文的第一作者道斯说。“当然,您可以在给定的占位面积中安装更多晶体管,但您也可以在较低电压下获得更高的电流——高速、低功耗。”ksLednc

同时,金金属触点会消散和传播晶体管在使用过程中产生的热量——否则这些热量可能会危及柔性聚酰亚胺。ksLednc

未来可期

随着原型和专利申请的完成,Daus 和 Pop 已经开始着手改进设备的下一个挑战。他们使用另外两种原子级薄的半导体(MoSe 2和 WSe 2)构建了类似的晶体管,以证明该技术的广泛适用性。ksLednc

与此同时,Daus 表示他正在研究将无线电电路与这些设备集成,这将使未来的变化能够与外界进行无线通信——这是柔性电子技术在可行性方面的又一次重大飞跃,特别是那些植入人体或深入其他设备的设备连接到物联网。ksLednc

“这不仅仅是一种有前途的生产技术。我们同时实现了灵活性、密度、高性能和低功耗,”Pop 说。“这项工作有望在几个层面上推动技术向前发展。”ksLednc

Demi Xia编译ksLednc

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