如果你覺得手持式電子裝置已經夠小而無法再進一步微縮時,半導體架構的一項突破,可能就是技術更進一步小型化的關鍵。

美國芝加哥大學(University of Chicago)和康奈爾大學(Cornell University)的研究人員合作,實現了一種能生長厚度僅幾個原子的矽薄膜製造方法,並使其得以彼此上下堆疊多層,就像一疊「便利貼」(Post-IT)一樣。藉由這種堆疊微型半導體的方式,科學家和工程師就能讓手機等個人電子裝置到太陽能電池等各種電子產品的尺寸進一步縮小。

截至目前為止,這些矽薄膜層在彼此的頂部生長,限制了可用於製造的材料。這意味著「生長」這些薄層的過程必須能夠承受極高溫度的材料。研究人員採用的方法是單獨製作薄膜,,然後再將材料置於真空中進行剝離,最後再像「便利貼」一樣堆疊並連接各層薄膜;這種新方法不需要加熱,因為每一層都是單獨建構後再放置在彼此之上。這使得研究人員能夠在分層之間製作弱鍵接合,以取代傳統的強共價鍵連接,因而使各層之間的干擾減少,讓各自的表面完整性得以保持不變。

20171016_PostIT_NT02P1 這種新方法讓科學家們得以單獨製作出僅有幾個原子厚度的微形薄膜,並將它們像「便利貼」般地彼此堆疊於新型電子元件上,可望創造出無限的應用可能性...(來源:UChicago Creative)

研究人員並將薄膜置於裝置中,以測試其電特性,結果顯示其功能可按原子級設計,從而使其得以成為未來電腦晶片的基本組成。這種創新方法為半導體薄膜材料的應用帶來了無數的可能性,不但能在水或塑料表面生長薄膜材料,還可以將薄膜材料浸入水中加以分離,或用離子束進行切割或蝕刻成型。

研究人員目前正探索一套簡單且高性價比的完整途徑。如果能夠製作出僅原子厚的矽薄膜層,就可能使幾乎所有的電子產品都能再進一步縮小。想像交錯各個導體層並切換至3D電子元件或整個系統中。微機電系統(MEMS)也可以包含在這些分層中,以便在單一裝置上提供所有的感測器與致動器。不需要驅動訊號,晶片功率降低,而性能則能持續提升。

然而,這種方法也存在一連串的問題。因為這些薄層本身只有幾個原子厚,很難將它們精確地放在彼此之上。芝加哥大學化學系教授JiWoong Park說:「我們正考慮的問題難度就像是將精準地覆蓋一塊芝加哥般大小的塑料薄膜,而不至於產生任何氣泡。」當材料本省的厚度達到原子級時,每一個獨立的小原子都可能產生問題。

然而,這個創新的過程可能為許多技術和產業領域帶來無數次的突破,甚至超越你的想像所及。Park說:「我們期望新的模型能加速新材料的發現,以及實現大規模的製造。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Scientists create atoms-thick Post-It notes for solar cells and circuits,by Warren Miller, contributing writer)