晶圆级单晶二维半导体柔性集成
看不懂专业术语？
没关系，咱们先来了解关键词！
柔性衬底上的二硫化钼场效应晶体管器件
二维材料，你可以理解成只有一层原子厚度。如果说石墨烯是二维材料界的“老大哥”，那二硫化钼就是紧随其后的“新秀”。它由一层钼原子和两层硫原子组成，厚度仅为原子级（约0.6纳米）。如果把1米比作地球直径，1纳米就差不多是一颗小弹珠。
这种“薄到不能再薄”的特性赋予了它超凡的柔韧机械性，即使反复弯曲也不会影响其性能。
但更神奇的是二维材料带来的卓越电学性能。
二硫化钼是一种天然半导体，这意味着它能像硅一样，通过控制电流的“开”与“关”来处理信息，成为逻辑计算的单元器件。而逻辑器件组成了我们熟知的各种功能的芯片。
柔性衬底上的二硫化钼场效应晶体管器件实物图（左）和示意图（右）对比
另一方面，随着摩尔定律逼近极限，传统硅基晶体管变得越来越小，漏电问题会越来越严重。而当二硫化钼只有原子厚度。这种极薄的特征让栅极电场能够进行“全方位无死角”的静电调控，被认为是半导体2纳米工艺节点之后延长摩尔定律的关键候选材料。
而孔玮团队追求的，不仅是二维，而且是超级有序的二维——单晶二维材料。
本文第一作者徐翔（左）和导师孔玮教授（右）
研究团队另辟蹊径，开发出基于氧化物的“干法转移”策略：先通过电子束蒸发沉积一层极薄的三氧化二铝，用于增强氧化物与二硫化钼之间的界面结合；再用原子层沉积技术覆盖另一层三氧化二铝，形成高质量高介电常数栅介质层。该转移工艺全程避免二硫化钼表面与聚合物、水或有机溶剂直接接触，有效保留材料本征特性。
“基于该工艺，我们构建的晶圆级高密度柔性晶体管阵列实现了超高电流开关比、极佳的载流子迁移率、超低亚阈值摆幅（SS）等多项性能突破。”孔玮介绍。
柔性衬底上的二硫化钼逻辑器件
高性能的个体器件最终要走向复杂的电路集成，研究团队由此构建了基于单晶二硫化钼的柔性逻辑反相器阵列。该器件做到了目前已知柔性薄膜电子系统中的最低功耗水平之一，且在实现极低功耗的同时，其增益性能比同类硅基材料，有机材料或碳纳米管等器件高出一倍以上。
研究团队也将这项技术带入了实际应用场景，研制出一种由10×10阵列构成的活性矩阵触觉传感器（AM-TS），并将其像电子皮肤一样贴合在软体机器人的抓手上。该系统中每一个触觉单元都由一个二硫化钼晶体管和一个碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（CNT/PDMS）压阻式传感器串联而成，晶体管充当精准的像素开关。
当机械臂抓起一颗螺帽时的物体压力感知成像（左），机械臂（右边）
实验室里，这个蓝色的机械手臂正在轻轻夹起一颗螺帽，它能够“感受”200Pa的细微压力。这大约是在手指甲盖上施加2克重量，或者说是你感受清风拂面时的压强。这何尝不是一种触碰未来的感觉？
来源：西湖大学官网