Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) вместе с исследователями из Университета Сунь Ятсена (Китай), университетов штатов Техас, Виргиния, Огайо, Технологического института Джорджии и Исследовательской лаборатории ВМС США разработали технологию производства сверхтонких полупроводящих плёнок из экзотических материалов, которые по эксплуатационным характеристикам превосходят кремний.

Чтобы продемонстрировать возможности нового метода, учёные изготовили тонкие плёнки арсенида галлия, нитрида галлия и фторида лития. Все эти материалы лучше кремния, но высокая себестоимость до сих пор делала невозможным их рентабельное применение в коммерческой электронике.

«Мы открыли путь для создания гибкой электроники со множеством различных материальных систем, альтернативных кремнию», — заявил адъюнкт-профессор MIT, Дживан Ким (Jeehwan Kim). Он полагает, что новая техника в первую очередь найдёт применение в производстве высокопроизводительных и гибких солнечных батарей, носимых компьютеров и сенсоров.

Подробности этой разработки сообщаются в статье, которая вышла в журнале Nature Materials. Новый метод, на самом деле это по-новому переосмысленная техника дистанционной эпитаксии (remote epitaxy), которую Ким и его коллеги создали в 2017 году.

Тогда они обнаружили, что моноатомный слой углерода (графен) на поверхности заготовки из арсенида галлия не препятствует росту кристалла. Атомы галлия и мышьяка как бы не замечают графен и образуют поверх него плёнку, повторяющую кристаллическую структуру нижней пластины. Эту плёнку можно легко снять с графена, а дорогостоящую заготовку — сохранить для тиражирования бесчисленного множества новых плёнок GaAs, значительно сократив затраты на их производство.

Ключевым для нового развития этой технологии стало открытие, что таким образом «клонируются» материалы только с ионной связью. В частности, она не работает (графен остаётся «непрозрачным») для кремния или германия, не имеющих полярности или ионно нейтральных.

«Мы нашли, что взаимодействие через графен определяется полярностью атомов. Материалы с наиболее сильной ионной связью взаимодействуют даже через три слоя графена — как два магнита через тонкий лист бумаги», — говорит Ким.

С этим новым пониманием исследователи получили возможность подбирать пары элементов с противоположным зарядом прямо из Периодической таблицы Менделеева. Метод дистанционной эпитаксии гарантированно работал для этих материальных систем, позволяя дёшево получать многие копии плёнок толщиной от десятков до сотен нанометров, точно воспроизводящие кристаллическую структуру оригинальной заготовки.

Такие сверхтонкие плёнки можно накладывать друг на друга и получать гибкие многофункциональные устройства, вплоть до сотовых телефонов в виде наклеек на кожу.

«Люди в основном использовали кремниевые пластины, потому что они дешевые, — говорит Ким. — Теперь наш метод открывает способ применения высокопроизводительных материалов помимо кремния. Вы можете просто купить одну дорогостоящую пластину и использовать её снова и снова. Материальная библиотека для этой техники таким образом тотально расширяется».