柔性电子的新制造技术

多年来，超薄、灵活的计算机电路一直是工程目标，但技术障碍阻碍了实现高性能所需的小型化程度。现在，斯坦福大学的研究人员发明了一种制造技术，可以生产出长度不到 100 纳米的灵活的原子级薄晶体管——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。

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。柔性电子产品承诺可弯曲、可塑形且节能的计算机电路，可穿戴或植入人体以执行无数与健康相关的任务。更重要的是，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。

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。

迄今为止的工程挑战是，形成这些几乎不可能薄的设备需要一个对于柔性塑料基板来说热量太高的过程。这些柔性材料会在生产过程中简单地熔化和分解。

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，解决方案是分步进行，从一个完全不灵活的基础基板开始。

在涂有玻璃的实心硅板上，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。

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。

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。

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。

“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。”

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。

“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。”

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。

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。

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，这将允许未来的变化与外界进行无线通信——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。

“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。”

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