具有纳米图案触点的2D半导体的转移过程的图示(左)和具有转移结构的柔性透明衬底的照片(右)。信用:Victoria Chen/Alwin Daus/ Pop Lab超薄、灵活的计算机电路多年来一直是一个工程目标，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，可以生产出长度小于100纳米的柔性原子级薄晶体管——比以前可能的尺寸小几倍。6月17日发表在《自然电子》杂志上的一篇论文详细介绍了这项技术。研究人员表示，随着技术的进步，所谓的“伟创力”越来越接近现实。柔性电子产品有望实现可弯曲、可塑形且节能的计算机电路，可以佩戴或植入人体，以执行无数与健康相关的任务。此外，即将到来的“物联网”也应该同样受益于伟创力，在物联网中，我们生活中的几乎每一台设备都与柔性电子设备集成并相互连接。
技术困难
在适用于柔性电子器件的材料中，二维(2D)半导体显示出了希望，因为它们具有优异的机械和电学性能，甚至在纳米尺度上也是如此，这使得它们成为比传统硅或有机材料更好的候选材料。
迄今为止，工程上的挑战是，形成这些几乎不可能薄的器件需要一个对柔性塑料基板来说热强度太大的过程。这些柔性材料在生产过程中会简单地熔化和分解。
斯坦福大学电气工程教授埃里克·波普(Eric Pop)和波普实验室的博士后学者阿尔温·道斯(Alwin Daus)开发了这项技术，他们认为解决方案是分步骤进行，从一个根本不灵活的基底开始。
Pop和Daus在一个涂有玻璃的实心硅板上，形成了一个原子级的2D半导体二硫化钼薄膜，上面覆盖着小的纳米图形金电极。因为这一步骤是在传统的硅衬底上进行的，纳米级晶体管尺寸可以用现有的先进图案化技术进行图案化，从而实现在柔性塑料衬底上不可能实现的分辨率。
这种分层技术被称为化学气相沉积，一次一层原子地生长二硫化钼薄膜。生成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构图和形成这些关键部分，并让它们冷却，斯坦福的研究人员可以在不损坏的情况下应用柔性材料。通过在去离子水中的简单浸泡，整个器件叠层剥离，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高几倍。研究人员说，虽然整个电路可以构建，然后转移到柔性材料，但后续层的某些复杂情况使转移后的这些额外步骤更容易。
“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Pop说。“这比人类的头发还细十倍左右。”
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显著，但研究人员也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工作时处理高电流，这是低功耗所必需的。
该论文的第一作者道斯说:“这种降尺度有几个好处。“当然，你可以在给定的尺寸内安装更多的晶体管，但你也可以在更低的电压下获得更高的电流——更高的速度和更低的功耗。”
与此同时，金金属触点会消散和扩散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。
有前途的未来
随着原型和专利申请的完成，Daus和Pop已经开始着手下一个改进设备的挑战。他们用另外两个原子级薄半导体(MoSe2和WSe2)制造了类似的晶体管，以证明该技术的广泛适用性。
与此同时，道斯表示，他正在考虑将无线电电路与这些设备集成在一起，这将使未来的变体能够与外部世界进行无线通信——这是伟创力向生存能力迈出的又一大步，尤其是那些植入人体或集成在与物联网相连的其他设备内部的设备。
“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这项技术向前发展。”
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