​​ 2016年，全球半导体销售额达到历史最高点，3390亿美元。 同年，半导体行业在全球范围内花费了大约72亿美元在用作微电子元件基板，这些晶片可以转化为晶体管、发光二极管和其他电子或光子器件。

麻省理工学院的工程师们开发新了技术，该技术可以大大减少晶片技术的总成本，并启用比常规的硅，更奇特、性能更高的半导体材料制成的装置。

今天在Nature报道的新方法中，利用单原子的薄片石墨作为一种“复印机”，可以从下面的半导体晶片将复杂的结晶图案传送到相同材料构成的顶层。

工程师们制定了严格控制的程序，将单片石墨烯放在昂贵的晶片上。 然后，他们在石墨烯层上生长半导体材料。 们发现石墨烯足够薄以使其看起来不可见，允许顶层通过石墨烯看到底层的晶体晶片，在不受石墨烯的影响情况下来印刷图案。

石墨烯也相当“光滑”，不易粘附到其他材料上，使得工程师能够简单地在其结构被印迹之后从晶片上剥离顶部半导体层。

机械工程与材料科学与工程系1947年职业发展助理教授Jeehwan Kim表示，在传统的半导体制造中，晶片一旦转移晶体结构就如此牢固地结合到半导体上 几乎不可能分开而不损坏两层晶体。

Kim说：“你最终不得不牺牲晶片，因为它会成为设备的一部分”。

Kim表示，采用这项技术，制造商现在可以使用石墨烯作为中间层，允许它们复制和粘贴晶片，将复制的膜与晶片分离，并重复利用晶圆。Kim说:除了节省晶片的本外，这将会打开机会探索更奇特的半导体材料。

Kim说：“因为他们的成本，业内一直停留在硅的使用上，即使我们已经知道一些性能更好的半导体，但我们一直无法使用。这项技术使行业能够通过性能选择半导体材料而不是成本。”

Kim的研究团队在麻省理工学院电子研究实验室发现了这种新技术。 金氏麻省理工学院的合著者是第一作者和研究生Yunjo Kim; 研究生Samuel Cruz，Babatunde Alawonde，Chris Heidelberger，Yi Song和Kuan Qiao; 博士后李秀莲，蔡新秀，魏晋; 访问研究学者Shinhyun Choi; Merton C. Flemings-SMA材料科学与工程教授Eugene Fitzgerald; 电气工程与计算机科学教授Jing Kong; 机械工程助理教授Alexie Kolpak; 以及俄亥俄州立大学的Jared Johnson和Jinwoo Hwang，以及Masdar科学与技术研究所的Ibraheem Almansouri。

石墨烯转变

自2004年石墨烯发现以来，研究人员一直在研究其卓越的电学性能，希望提高电子设备的性能和降低成本。 石墨烯是一种非常好的电导体，因为电子几乎没有摩擦地流过石墨烯。 因此，研究人员一直致力于寻找使石墨烯作为便宜的高性能半导体材料的方法。

Kim说：“人们非常希望我们可以从石墨烯制造真正快速的电子设备，但事实证明，制造好的石墨烯晶体管真的很难。”
为了使晶体管工作，它必须能够打开和关闭电子流，以产生1和0的图案，指示设备如何执行一组计算。碰巧，因为它很难阻止电子通过石墨烯的流动，使其成为优良的导体，但难以成为半导体。

Kim团队采用了一种全新的在半导体中使用石墨烯的方法。 研究人员不再专注于石墨烯的电学特性，而是研究了材料的机械特性。

Kim说：“我们对石墨烯有强烈的信念，因为它是一种非常强大的超薄材料，并且在水平方向上在原子之间形成非常强的共价键。 有趣的是，它具有非常弱的范德华力量，这意味着它不会与任何垂直的反应，这使得石墨烯的表面很滑。”

复制和剥离

该团队现在报告说，具有超薄铁氟龙特性的石墨烯可以夹在晶片和半导体层之间，提供一个几乎不可察觉的不粘的表面，半导体材料的原子仍然可以以晶片晶体的图案进行重新排列 。 该材料一旦被印迹，就可以简单地从石墨烯表面剥离，从而允许制造商重新使用原来的晶片。

该团队发现，它的术语“远程外延”的技术可以成功的在同一半导体晶圆上复制和剥离半导体层。 研究人员将其技术应用于异乎寻常的晶片和半导体材料方面取得了成功，包括磷化铟，砷化镓和磷化镓材料，比硅成本高出50到100倍。

Kim表示，这种新技术使制造商有可能重新使用硅片和更高性能的材料 - “从概念上讲，无限制”。

异乎寻常的未来

该组的石墨烯剥离技术也可能推动柔性电子领域的发展。 通常，晶片是严格刚性的，使得它们不能灵活地被类似的装置融合。现在Kim说，LED和太阳能电池等半导体器件可以进行弯曲和扭曲。 事实上，该组织通过使用他们的技术制造在MIT徽标上图案化的柔性LED显示屏展示了这种可能性。

“假设你想在你的车上安装太阳能电池，这不是完全平坦的——车体有曲线，”Kim说。 “你可以在半导体上涂上它吗？现在不可能，因为它会紧跟较厚的晶片，而现在我们可以剥离、弯曲，你可以在汽车，甚至衣服上做保形涂层。”

未来，研究人员计划设计一个可重复使用的“母晶片”，其区域由不同的外来材料制成。 以石墨烯为中介，希望能创造出多功能、高性能的设备。 他们还在调查混合和匹配各种半导体并将其堆叠为多材料结构。

Kim说：“现在，非常规材料似乎很受欢迎”。“您不必担心晶圆的成本，我们会提供给您复印机，您可以种植半导体器件，剥离它，并重新使用这些晶片。”

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