多年来，超薄、灵活的计算机电路一直是一个工程目标，但技术障碍阻碍了实现高性能所必需的小型化程度。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纳米的柔性原子薄晶体管，比以前可能的尺寸小了几倍。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。
研究人员说，随着这一进步，所谓的“伟创力”离现实更近了一步。柔性电子器件有望实现可弯曲、可塑形、节能的计算机电路，可以穿戴在人体上或植入人体，执行各种与健康有关的任务。更重要的是，即将到来的“物联网”，几乎我们生活中的每一个设备都与柔性电子集成并相互连接，也将同样受益于伟创力。
技术上的困难
在柔性电子的合适材料中，二维(2D)半导体表现出了良好的前景，因为其优异的机械和电气性能，即使在纳米尺度上，使其比传统的硅或有机材料更好的候选者。
迄今为止，工程上的挑战是，制造这些几乎不可思议的薄器件需要一个过程，对于柔性塑料基片来说，这个过程的热量太大了。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(Stanford)电气工程教授埃里克·波普(Eric Pop)和波普实验室博士后学者阿尔文·道斯(Alwin Daus)认为，解决方案是循序渐进地进行，从一个绝不灵活的基底开始。波普实验室开发了这项技术。
Pop和Daus在涂有玻璃的固体硅板上，形成了二维半导体二硫化钼(MoS2)的原子薄膜，上面覆盖着小的纳米图案金电极。因为这一步是在传统的硅衬底上完成的，所以纳米级晶体管尺寸可以用现有的先进的图案化技术进行图案化，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(CVD)，它在MoS2薄膜上每次生长一层原子。生成的薄膜只有三个原子厚，但需要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)制成的柔性基片，在360摄氏度(680华氏度)左右就会失去形状，并在更高的温度下完全分解。
首先，斯坦福大学的研究人员在坚硬的硅上绘制和形成这些关键部件，并让它们冷却，从而可以在不损坏的情况下应用柔性材料。在去离子水中简单的沐浴，整个设备堆栈剥离回来，现在完全转移到柔性聚酰亚胺。
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任何原子薄半导体生产的性能都高出几倍。研究人员说，虽然整个电路可以建立起来，然后转移到柔性材料上，但后续层的某些复杂性使转移后的这些额外步骤更容易。
“最后，整个结构只有5微米厚，包括柔性聚酰亚胺，”Pop说，他是这篇论文的资深作者。“那比人的头发还要细十倍。”
虽然生产纳米晶体管的技术成就一个灵活的材料是显著的,研究人员还形容他们的设备“高性能”,在这种情况下,这意味着他们能够处理操作在低电压、高电流而作为低功耗的要求。
这篇论文的第一作者道斯说:“这种缩减规模有几个好处。”“当然，你可以在一个给定的空间里安装更多的晶体管，但你也可以在更低的电压下获得更高的电流——以更低的功耗实现高速。”
同时，在使用过程中，金金属触点会消散并传播晶体管产生的热量，否则这种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已经开始着手他们的下一个挑战，即改进这些设备。他们用另外两种原子薄半导体(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，他正在研究将无线电电路与这些设备集成，这将使未来的变种能够与外部世界进行无线通信——这是伟创力迈向可行性的又一重大飞跃。特别是那些植入人体或与物联网设备深度集成的设备。
“这不仅仅是一种有前景的生产技术。我们同时实现了灵活性、密度、高性能和低功耗，”Pop说。“这项工作有望在多个层面上推动这项技术的发展。”
