• Yulia Mi

Гибкая электроника на основе арсенида галлия

Инженеры из Массачусетского Технологического Института разработали технологию изготовления гибких ультратонких полупроводниковых пленок из нестандартных материалов. Для демонстрации своей технологии исследователи изготовили гибкие пленки из арсенида галлия, нитрида галлия и фтористого лития.


Гибкая электроника на основе арсенида галия

Абсолютное большинство электронных вычислительных приборов в настоящее время изготавливается из кремния, второго по распространенности в земной коре химического элемента после кислорода. Кремний используется в сенсорах, солнечных ячейках, интегральных схемах наших телефонов и компьютеров. Однако это не самый лучший полупроводниковый материал из существующих на нашей планете. Есть и другие полупроводниковые материалы, обладающие лучшими характеристиками по сравнению с кремнием, однако вследствие своей дороговизны, они не пригодны для массового производства функциональных приборов.


Исследователи из Массачусетского Технологического Института разработали новый экономичный метод производства гибких полупроводниковых слоев, получаемых из комбинации двух полупроводниковых элементов. Эксплуатационные качества электроники, использующей такие материалы выше, чем у электроники, основанной на кремнии.

В 2017 году группа ученых во главе с Джихваном Кимом профессором кафедры Машиностроения и Материаловедения изобрела способ получения «копий» дорогих полупроводниковых материалов, используя графен – атомарно тонкие листы атомов углерода, сгруппированные в гексагональную мелкоячеистую сетку. Исследователи обнаружили, что при расположении графена сверху на чистой пластине дорогого полупроводникового материала, например арсенида галлия, с последующим помещением атомов галлия и мышьяка сверху графена, атомы каким-то образом начинают взаимодействовать с низ лежащим слоем арсенида галлия, словно графен невидимый или прозрачный. В результате, атомы собираются в монокристаллические структуры, соответствующие пластине, расположенной снизу, формируя ее точную копию, которая затем может быть легко снята с графенового слоя.


Это техника, названная учеными «удаленной эпитаксией», позволяет получать пленки арсенида галлия, используя только один дорогой нижний слой этого материала.

Вскоре после того, как исследователи опубликовали свои первые результаты, они решили исследовать возможности этой техники относительно других полупроводниковых материалов. Они попытались нарастить удаленно слой кремния и германия – двух недорогих полупроводников, но обнаружили, что эти материалы не взаимодействуют с соответствующими слоями через графен. Получалось, что графен, прозрачный в предыдущих экспериментах, внезапно стал непрозрачным, не позволяя атомам кремния и германия «видеть» атомы с другой стороны. Ученые догадались, что атомы могут взаимодействовать через графен только если они имеют одинаковый ионный заряд. К примеру, в случае арсенида галлия, галлий имеет отрицательный заряд на границе, а мышьяк положительный. Такая полярность зарядов помогает атомам взаимодействовать через графен, копируя структуру нижнего слоя.


«Такое поведение атомов схоже с притяжением магнитов через слой бумаги», - объясняет профессор Ким, - «Вещества с сильными ионными поперечными связями могут копировать нижний слой даже через три слоя графена».

Исследователи провели ряд экспериментов с материалами, которые имеют различную полярность: от нейтрального кремния и германия, затем слегка полярного арсенида галлия до фтористого лития с высокой полярностью. Они обнаружили, что больший градус полярности приводит к более сильному взаимодействию атомов. Каждый слой, полученный учеными, был гибким и имел толщину от десятков до сотен нанометров.


Следующей задачей стал поиск материалов для промежуточного слоя, способных быть прозрачными, как графен. Ученые экспериментировали с гексагональным нитридом бора (hBN), который имеет сходство атомной структуры с графеном. Однако нитрид бора состоит из противоположно заряженных атомов бора и азота, которые создают полярность внутри самого материала. Было обнаружено, что атомы, наносимые на промежуточный слой нитрида бора, не смогли взаимодействовать должным образом с нижней пластиной, поскольку они согласовывали свою полярность также с атомами промежуточного слоя.


В ходе всех исследований ученые окончательно поняли механизм атомных взаимодействий через графен.


«Люди используют кремниевые подложки поскольку они дешевые», - говорит профессор Ким, - «Сейчас наш метод открывает новый путь для использования не кремниевых материалов высокой производительности. Вам понадобится заказать только одну дорогую пластину, чтобы копировать ее снова и снова. Сейчас мы активно расширяем список материалов, доступных для данной технологии».

Удаленная эпитаксия уже сейчас может использоваться для получения ультратонких гибких пленок широкого списка полупроводниковых материалов. Такие пленки можно собирать в стеки, устанавливая друг на друга, для производства крошечных, гибких, мультифункциональных приборов, таких как портативные носимые сенсоры, гибкие солнечные ячейки, а в будущем для создания «телефонов на коже человека».


солнечные элементы из GaAs толщиной 1 мкм

Авторы фото 1: Wei Kong and Kuan Qiao

Автор фото 2: Juho Kim/APL

#ультратонкий #арсенидгаллия #графен #полярность #гибкаяэлектроника #удаленнаяэпитаксия


Читайте далее: ученые придумали способ получать электричество из пота человека.

Подписаться на новости SCDAILY