新的“Peel和堆栈”过程使下一代设备和弹力电子产品

通过新技术，麻省理工学院研究人员可以剥离和堆叠金属氧化物薄膜 - 化学化合物，可以设计成具有独特的磁性和电子性质。薄膜可以混合并匹配以产生多功能，柔性的电子设备，例如太阳能皮肤和电子织物。

工程师混合和匹配材料以制作新的弹力电子产品：用新的“剥离和堆叠”方法制造的下一代装置可包括在皮肤上佩戴的电子芯片。

在任何电子设备的心脏，是一种冷，硬盘芯片，覆盖在晶体管和其他半导体元件的微型城市。由于计算机芯片是刚性的，所以他们电源的电子设备，例如我们的智能手机，笔记本电脑，手表和电视，同样是不灵活的。

现在由麻省理工学院工程师开发的过程可以是制造具有多种功能的柔性电子产品的关键，以一种成本效益的方式。

该过程称为“远程外延”，并且涉及在相同材料的大，厚的晶片的大，厚的晶片上生长半导体材料的薄膜，其覆盖在石墨烯的中间层中。一旦研究人员长出半导体薄膜，它们就可以从石墨烯覆盖的晶片剥离，然后重复使用晶片，这本身可以取决于它的材料类型。通过这种方式，使用相同的底层晶片，团队可以复制和剥离任何数量的薄柔性的半导体薄膜。

在今天（2月5日）在本质上发表的论文中，研究人员证明他们可以使用远程外延来生产任何功能性材料的独立薄膜。更重要的是，它们可以堆叠由这些不同材料制成的薄膜，以生产灵活的多功能电子设备。

研究人员预计该过程可用于生产各种用途的弹力电子胶片，包括使能虚拟现实的隐形眼镜，太阳能皮肤，模具汽车的轮廓，响应天气的电子面料，和其他柔性电子产品似乎直到现在是奇迹电影的东西。

“您可以使用这种技术混合和匹配任何半导体材料，以便在一个灵活的芯片中具有新的设备功能，”麻省理工学院机械工程副教授Jeehwan Kim说。“你可以以任何形状制造电子产品。”

Kim的共同作者包括Hyun S. Kum，Sungkyu Kim，Wei Kong，Kuou Qiao，Peng Chen，Jaewoo Shim，Sang-Hoon Bae，Chanyeol Choi，Luigi Ranno，Seungju Seo，Sangho Lee，Jackson Bauer和Caroline Ross from Mit以及康奈尔大学麦迪逊大学威斯康星大学的合作者，弗吉尼亚州立大学，孙中山大学和韩国原子能研究所。

购买时间

Kim和他的同事们在2017年使用远程外延报告了他们的第一个结果。然后，通过首先将一层石墨烯在厚的昂贵的晶片上放置由异种金属的组合制成的厚实，昂贵的晶片来生产薄的，柔性薄膜。它们在石墨烯覆盖的晶片上流动了每个金属的原子，并发现原子在图石墨烯顶部形成的膜，与下面的晶片相同。石墨烯提供了一种非克利特表面，研究人员可以剥离新胶片，离开石墨烯覆盖的晶片，它们可以重用。

2018年，该团队表明，它们可以使用远程外延来使半导体材料来自周期表的第3组和5组中的金属，但不是来自第4组。原因是，它们发现，逐渐煮到极性，或者在底层晶片中流动的原子与原子之间的各自的电荷。

自这一实现以来，Kim和他的同事们尝试了许多日益异国的半导体组合。如在本新论文中所报道的，该团队使用远程外延来使来自氧化氧化物的柔性半导体薄膜 - 由氧气和至少两种其他元素制成的化学化合物。已知复合氧化物具有宽范围的电气和磁性，并且一些组合可以在物理拉伸或暴露于磁场时产生电流。

MIT研究人员，从左到右：Kuan Qiao，Jeehwan Kim，Hyun S. Kum，Wei Kong，Sang-Hoon Bae，Jaewoo Shim，Sangho Lee，Chanyeol Choi。

金说，制造复杂氧化物的柔性薄膜的能力可以向新能量 - 有余的装置打开门，例如响应于振动并产生电力的薄片或覆盖物。到目前为止，复合氧化物材料仅在刚性，毫米厚的晶片上制造，灵活性有限，因此有限的能量产生潜力。

研究人员必须调整它们的方法来制造复杂的氧化膜。它们最初发现，当他们尝试制备钛酸锶（锶，钛和三个氧原子的化合物）时，它们在石墨烯上流动的氧原子倾向于与石墨烯的碳原子结合，蚀刻蚀刻石墨烯代替底层晶片的图案和与锶和钛的结合。作为一个令人惊讶的简单修复，研究人员添加了第二层石墨烯。

“我们看到，随着第一层石墨烯的蚀刻，一旦形成这些所需化合物，就已经形成了氧化物化合物，所以元素氧，不与石墨烯相互作用，”Kim解释说。“所以两层石墨烯购买了一些时间以形成这种化合物。”

剥皮和堆栈

该团队使用新的新调整过程来制作来自多种复杂氧化物材料的薄膜，在制造时剥离每100纳米薄层。它们还能够将不同复杂氧化物材料的层叠在一起，并通过略微加热它们，从而有效地将它们粘合在一起，产生柔性多功能装置。

“这是堆叠多纳米薄膜等乐高块的第一次演示，这一直是不可能的，因为所有功能电子材料都存在于厚的晶片形式中，”Kim说。

在一个实验中，团队堆叠在一起两种不同复合氧化物的薄膜：钴铁氧体，已知在存在磁场的存在下扩展，并且在拉伸时产生电压的材料。当研究人员将多层膜暴露在磁场时，两层一起工作以膨胀并产生小电流。

结果表明，远程外延可用于从具有不同功能的材料的组合制造柔性电子器件，该函数难以将其与一个设备结合成一个设备。在钴铁氧体和PMN-PT的情况下，每个材料具有不同的晶体图案。Kim表示，传统的外延技术，在一个晶片上的高温下生长材料，只能将材料结合，如果它们的晶体图案匹配。他说，通过远程外延，研究人员可以制作任何数量的不同薄膜，使用不同，可重复使用的晶片，然后将它们堆叠在一起，无论其晶体图案如何。

“这项工作的大局是，你可以将完全不同的材料在一个地方结合在一起，”Kim说。“现在你可以想象一个薄，灵活的设备，包括传感器，计算系统，电池，太阳能电池的层，所以您可以拥有一个灵活，自动电网堆叠芯片。”

该团队正在探索半导体薄膜的各种组合，正在开发开发原型设备，例如Kim正在呼叫“电子纹身” - 一种灵活的透明芯片，可以附加和符合人体的身体，以感测和无线地中继生命体征如温度和脉冲。

“我们现在可以做出薄，灵活，可穿戴的电子产品，功能最高，”Kim说。“只是剥离并堆积起来。”

读取水晶堆叠过程为新材料开辟了“几乎无限的可能性”，以便在这种突破中推动未来技术的新材料。

参考：“单晶复合氧化物膜的异质整合”由Hyun S. Kum，Hyungwoo Lee，Sungkyu Kim，Shane Lingemann，Wei Kong，Kuou Qiao，Peng Chen，Julian Irwin，6月赫克·李，Saien Xie，Shruti Subramanian，Jaewoo沉，相勋裴，崔Chanyeol，路易吉Ranno，Seungju徐，李桑戈，杰克逊鲍尔，李华山，Kyusang利，乔舒亚A.罗宾逊，卡罗琳A.罗斯，达雷尔G. Schlom，马克S. Rzchowski，去设Beom Eom和Jeehwan Kim，2月5日，自然.DOI：
10.1038 / s41586-020-1939-z

部分由美国国防高级研究项目代理提供支持该研究。