任何電子設備的核心都是冷硬計算機芯片，覆蓋在晶體管和其他半導體元件的微型城市中。由于計算機芯片是剛性的，因此它們供電的電子設備(例如我們的智能手機，筆記本電腦，手表和電視)也同樣缺乏靈活性。

現(xiàn)在，由麻省理工學院的工程師開發(fā)的工藝可能是以具有成本效益的方式制造具有多種功能的柔性電子產(chǎn)品的關(guān)鍵。

該過程稱為“遠程外延”，涉及在同一材料的大而厚的晶片上生長半導體材料的薄膜，該晶片被石墨烯的中間層覆蓋。一旦研究人員種植了半導體薄膜，他們就可以將其從覆蓋石墨烯的晶圓上剝離下來，然后再利用，根據(jù)制造材料的類型，晶圓本身可能會很昂貴。通過這種方式，團隊可以使用相同的下層晶圓復制并剝離任意數(shù)量的柔性薄膜。

在《自然》雜志上發(fā)表的一篇論文中，研究人員證明，他們可以使用遠程外延來生產(chǎn)任何功能材料的獨立膜。更重要的是，它們可以堆疊由這些不同材料制成的薄膜，以生產(chǎn)靈活的多功能電子設備。

研究人員預計，該工藝可用于生產(chǎn)可拉伸的電子薄膜，用途廣泛，包括啟用虛擬現(xiàn)實的隱形眼鏡，可塑造出汽車輪廓的太陽能皮膚，可響應天氣的電子織物，以及直到現(xiàn)在為止看來還只是Marvel電影中的其他柔性電子產(chǎn)品。

麻省理工學院機械工程副教授Jeehwan Kim說：“您可以使用這種技術(shù)在一個柔性芯片中混合和匹配任何半導體材料，以具有新的設備功能。”“您可以制造任何形狀的電子產(chǎn)品。”

Kim的合著者包括Hyun S.Kum，Sungkyu Kim，Wei Kong，Kuan Qiao，Peng Chen，Jaewoo Shim，Sang-Hoon Bae，Chanyolol Choi，Luigi Ranno，Seungju Seo，Sangho Lee，Jackson Bauer和MIT的Caroline Ross以及威斯康星大學麥迪遜分校，康奈爾大學，弗吉尼亞大學，賓夕法尼亞州立大學，中山大學和韓國原子能研究所的合作者。

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Kim和他的同事在2017年報告了他們使用遠程外延的第一個結(jié)果。然后，他們能夠通過將石墨烯層放置在由多種稀有金屬組合而成的厚而昂貴的晶片上來生產(chǎn)柔性的半導體薄膜。他們使每種金屬的原子流過被石墨烯覆蓋的晶片，并發(fā)現(xiàn)這些原子在石墨烯的頂部形成了與下層晶片相同的晶體圖案的膜。石墨烯提供了一個不粘的表面，研究人員可以從該表面上剝離新膜，從而留下石墨烯覆蓋的晶片，可以重復使用。

在2018年，研究小組表明，他們可以使用遠程外延從元素周期表的第3和5組中的金屬制造半導體材料，而不是從第4組中的金屬制造半導體材料。他們發(fā)現(xiàn)其原因歸結(jié)為極性，或者歸結(jié)為極性在石墨烯上流動的原子和下方晶圓中的原子。

自從認識到這一點以來，金和他的同事們嘗試了許多越來越奇特的半導體組合。正如這篇新論文所報道的那樣，該團隊使用遠程外延技術(shù)由復合氧化物(由氧氣和至少兩種其他元素制成的化合物)制成柔性半導體薄膜。已知復合氧化物具有廣泛的電和磁性能，并且某些組合在物理拉伸或暴露于磁場時會產(chǎn)生電流。

金說，制造具有復雜氧化物的柔性薄膜的能力可能會打開新的能量收集裝置的大門，例如薄片或覆蓋物會因振動而拉伸，從而產(chǎn)生電能。到目前為止，復雜的氧化物材料僅在剛性，毫米厚的晶圓上制造，具有有限的柔韌性，因此產(chǎn)生的能量潛力也有限。

研究人員確實不得不調(diào)整他們的工藝來制造復雜的氧化膜。他們最初發(fā)現(xiàn)，當他們試圖制造諸如鈦酸鍶(鍶，鈦和三個氧原子的化合物)之類的復合氧化物時，流過石墨烯的氧原子傾向于與石墨烯的碳原子結(jié)合，從而被腐蝕掉。少量的石墨烯，而不是遵循下層晶圓的圖案并與鍶和鈦結(jié)合。作為一個令人驚訝的簡單解決方案，研究人員添加了第二層石墨烯。

“我們看到，當石墨烯的第一層被蝕刻掉時，氧化物化合物已經(jīng)形成，因此一旦形成這些所需的化合物，元素氧就不會與石墨烯發(fā)生強烈的相互作用，”金解釋說。“因此，兩層石墨烯為該化合物的形成花費了一些時間。”

剝皮和堆疊

該團隊使用他們新調(diào)整的工藝，由多種復雜的氧化物材料制成薄膜，并在制作時剝離了每個100納米薄的層。他們還能夠?qū)⒉煌膹秃涎趸锊牧隙询B在一起，并通過稍微加熱將它們有效地粘合在一起，從而生產(chǎn)出一種靈活的多功能設備。

金說：“這是首次堆疊像樂高積木一樣的多層納米薄膜，這是不可能的，因為所有功能性電子材料都以厚晶片的形式存在。”

在一個實驗中，研究小組將兩種不同復合氧化物的膜堆疊在一起：已知在磁場存在下會膨脹的鈷鐵氧體和拉伸后會產(chǎn)生電壓的材料PMN-PT。當研究人員將多層膜暴露在磁場中時，兩層共同作用以膨脹并產(chǎn)生小電流。

結(jié)果表明，遠程外延技術(shù)可用于由功能不同的材料組合制造柔性電子產(chǎn)品，這些功能以前很難組合成一個設備。在鈷鐵氧體和PMN-PT的情況下，每種材料都有不同的晶體圖案。金說，傳統(tǒng)的外延技術(shù)只能在一個晶片上高溫生長材料，如果它們的晶體圖案匹配，則只能結(jié)合材料。他說，通過外延外延，研究人員可以使用不同的可重復使用的晶圓制作任意數(shù)量的不同膠片，然后將它們堆疊在一起，而不管其晶體圖案如何。

“這項工作的全局是，您可以在一個地方將完全不同的材料結(jié)合在一起，”金說。“現(xiàn)在，您可以想象一個薄而靈活的設備，它由包括傳感器，計算系統(tǒng)，電池，太陽能電池在內(nèi)的各層組成，因此您可以擁有一個靈活的，自供電，物聯(lián)網(wǎng)的堆疊芯片。”

該團隊正在探索各種半導體薄膜的組合，并正在開發(fā)原型設備，例如金稱其為“電子紋身”的東西-一種柔性，透明的芯片，可以附著并貼合人體，以感知并無線中繼重要生命溫度和脈沖等信號。

“我們現(xiàn)在可以制造出具有最高功能的薄型，柔性，可穿戴電子設備，”金說。“只剝下并堆放。”