这种单晶二维材料薄成“纳米级保鲜膜”

来源：光明日报

如果未来的手机能像纸一样卷起来塞进钱包，那芯片里悄然发生的革命，或许就从一层薄到只有0.6纳米的“保鲜膜”开始。近日，西湖大学孔玮团队成功把晶圆级单晶二硫化钼薄膜无损伤地集成到了柔性基底上，一举摘掉了传统工艺留下的“顽固污渍”。同时，这些高性能晶体管被集结成柔性逻辑反相器阵列，创下目前已知柔性薄膜电子系统的最低功耗纪录之一，增益性能更是比同类硅基、有机半导体或碳纳米管器件高出一倍以上。

记者了解到，大众熟悉的硅芯片正遭遇天花板：晶体管越做越小，漏电却越来越凶，而且硅片天生硬脆，没法折叠。这时候，以二硫化钼为代表的二维半导体材料“站”了出来。你可以把二硫化钼想象成只有一层钼原子夹在两层硫原子中间的“原子三明治”，厚度不过0.6纳米。它就像石墨烯的“师弟”，生来就出奇柔韧，反复弯折也安然无恙。更绝的是，它还是天然的半导体，能像硅那样通过电流的“开”和“关”来处理信息，可充当计算的核心器件。由于薄到了极致，栅极电场能对电流通道进行“全方位无死角”的调控，漏电难题迎刃而解，被看作接棒摩尔定律的理想候选者。

但孔玮团队的追求不止于薄，他们要的是“超级有序”——单晶二维材料。单晶内部的原子排列像仪仗队一样整齐划一，没有一块块“晶界”来捣乱。“如果换成多晶材料，电子在里面穿行，就好比开车闯进了满是泥泞和减速带的乡间小路，速度慢、损耗大。可惜，想把这样完美的单晶薄膜从生长它的蓝宝石衬底上揭下来，再完好地挪到柔软的塑料基底上，并不容易。”孔玮说。

“过去，这道工序长期被‘湿法转移’统治。说白了，就是用有机溶剂和高分子聚合物把薄膜‘搓’下来，结果总会在二硫化钼表面留下一层抹不掉的残渣。”博士生徐翔回想起早些年观察样品时，总觉得表面“脏”得厉害，“肉眼可见的质量较差”，这些残留物严重拖垮了电子器件的性能和均匀性，让它根本无法应用到大面积集成电路上。

面对积弊，团队没有继续跟化学药水死磕，而是拿出一套“氧化物干法转移”工艺。他们的灵感，正来自孔玮过去在半导体薄膜集成领域的积累。“这套新方法，更像是给二硫化钼贴了一张精心调制的‘双层面膜’——先通过电子束蒸镀一层极薄的三氧化二铝，让它牢牢贴合薄膜；紧接着，再用原子层沉积技术覆盖上第二层三氧化二铝。这两层里，一层负责‘搬’得牢固，另一层则直接变身器件的高介电系数介质层，既能存储更多电荷，又顺手把器件性能提了上去。经这么一‘贴’，薄膜表面变得像镜面一样干净平整，再也见不到有机物残留的半点‘斑点’。”

“面膜”一换，效果立现。团队在此基础上造出了4英寸晶圆级高密度柔性晶体管阵列，成绩相当亮眼：电流开关比接近10的12次方，相当于一个水龙头，开通时水流澎湃，关上后滴水不漏；载流子迁移率达到柔性材料里的顶尖“奔跑速度”；亚阈值摆幅几乎逼近物理极限，意味着只需一丁点儿电压波动，就能让开关瞬间切换，功耗极低。

孔玮说：“而最让人触碰到未来感的，是一只蓝色机械手。我们把由10×10个触觉单元组成的活性矩阵触觉传感器，像‘电子皮肤’一样裹在软体机器人的抓手表面。每个单元都由一个二硫化钼晶体管精准控制，当抓手轻轻夹起一枚螺帽时，它能清晰‘感受’到200帕斯卡的微弱压力——这大约是指甲盖上放2克重物，或者清风拂面时的触动。那种感觉，就像机器真正拥有了触碰的知觉。”