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科學(xué)家研發(fā)原子級超薄材料 可提高各種光技術(shù)效率
科學(xué)家研發(fā)原子級超薄材料 可提高各種光技術(shù)效率
來源:cnBeta.COM
傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片制造工藝有許多限制和缺點(diǎn)。芯片是通過在晶圓頂部生長半導(dǎo)體薄膜來制造的，其方式是使薄膜的晶體結(jié)構(gòu)與基片晶圓的晶體結(jié)構(gòu)一致。這使得薄膜難以轉(zhuǎn)移到其他基底材料上，降低了其適用性。
硅作為半導(dǎo)體芯片的首選材料仍然無處不在，然而，它越薄，作為光子結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)就越差，使它在光電探測器中不太理想。其他表現(xiàn)比硅更好的極薄層材料仍然需要一定的厚度來與光互動，因此如何確定最佳光子材料和在光電探測器半導(dǎo)體芯片中運(yùn)行的關(guān)鍵厚度是非常關(guān)鍵的。
在賓夕法尼亞州工程師DeepJariwala（電氣和系統(tǒng)工程系助理教授）、PawanKumar和JasonLynch（他實(shí)驗室的一名博士后研究員和一名博士生）領(lǐng)導(dǎo)下，科研團(tuán)隊近期在《自然-納米技術(shù)》上發(fā)表了一項研究，目的就是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
材料科學(xué)與工程系教授EricStach與他的博士后SurendraAnantharaman、博士生HuiqinZhang和本科生FranciscoBarrera也對這項工作做出了貢獻(xiàn)。這項合作研究還包括賓夕法尼亞州立大學(xué)、AIXTRON愛思強(qiáng)、加州大學(xué)洛杉磯分校、空軍研究實(shí)驗室和布魯克海文國家實(shí)驗室的研究人員，并主要由陸軍研究實(shí)驗室資助。他們的論文描述了一種制造原子級薄的超晶格或半導(dǎo)體薄膜的新方法，這些超晶格或半導(dǎo)體薄膜具有高度的光輻射性。
1個原子厚度的材料通常采取晶格（lattice）的形式，或由幾何排列的原子組成的層，形成每種材料特有的圖案。超晶格是由不同材料的晶格相互堆疊而成的。超晶格具有全新的光學(xué)、化學(xué)和物理特性，這使得它們可以適應(yīng)特定的應(yīng)用，如光敏元件和其他傳感器。
賓夕法尼亞工程公司的團(tuán)隊制作了一個鎢和硫（WS2）的超級晶格，有5個原子厚。
Kumar表示：“在使用模擬進(jìn)行了兩年的研究，告知我們超晶格將如何與環(huán)境互動之后，我們已經(jīng)準(zhǔn)備好通過實(shí)驗來構(gòu)建超晶格。因為傳統(tǒng)的超晶格是直接在所需的基底上生長的，它們往往有數(shù)百萬個原子的厚度，而且很難轉(zhuǎn)移到其他材料基底上。我們與行業(yè)伙伴合作，以確保我們的原子薄超晶格的生長是可擴(kuò)展的，適用于許多不同的材料”。
他們在兩英寸的晶圓上生長了單層原子，或稱晶格，然后溶解了基底，這使得晶格可以轉(zhuǎn)移到任何需要的材料上，在他們的案例中是藍(lán)寶石。此外，他們的晶格是用原子的重復(fù)單元在一個方向上排列創(chuàng)建的，以使超晶格成為二維的、緊湊的和高效的。
他繼續(xù)說道：“我們的設(shè)計也是可擴(kuò)展的。我們能夠用我們的方法創(chuàng)造出表面積以厘米為單位的超晶格，與目前正在生產(chǎn)的微米級硅超晶格相比，這是一個重大改進(jìn)。這種可擴(kuò)展性是可能的，因為我們的超晶格的厚度均勻，這使得制造過程簡單且可重復(fù)。可擴(kuò)展性對于能夠?qū)⑽覀兊某Ц穹旁谛袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)的四英寸芯片上非常重要”。
他們的超晶格設(shè)計不僅非常薄，使其重量輕，成本低，而且還可以發(fā)射光，而不僅僅是檢測光。
Lynch表示：“我們在超晶格中使用一種新型結(jié)構(gòu)，涉及激子-極子，這是一種由一半物質(zhì)和一半光組成的準(zhǔn)態(tài)粒子。光是很難控制的，但我們可以控制物質(zhì)，我們發(fā)現(xiàn)通過操縱超晶格的形狀，我們可以間接地控制從它發(fā)出的光。這意味著我們的超晶格可以成為一個光源。這項技術(shù)有可能大大改善自動駕駛汽車、面部識別和計算機(jī)視覺中的激光雷達(dá)系統(tǒng)”。
