最近，美國伊利諾伊大學(xué)的研究人員利用類似于生物礦化作用的工藝，開發(fā)了一種受生物啟發(fā)的動態(tài)模板，它可用于制造半導(dǎo)體材料，生產(chǎn)印刷電子器件。

 

關(guān)鍵字

 

半導(dǎo)體、柔性、工藝

 

背景

 

大自然賜予人類許多靈感，特別是科學(xué)研究方面。筆者之前在《減少手機(jī)屏幕眩光的新型薄膜：設(shè)計靈感來源于蛾眼！》一文中的背景部分，介紹過幾個靈感來源大自然的科學(xué)創(chuàng)新案例，所以今天就不一一例舉了。

 

然而今天我們要介紹的科技創(chuàng)新，也是受到了大自然的啟發(fā)，但是它與時下非常熱門的柔性電子器件的制造相關(guān)。

 

創(chuàng)新

 

最近，美國伊利諾伊大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種受生物啟發(fā)的動態(tài)模板。這種模板可用于制造半導(dǎo)體材料，生產(chǎn)印刷電子器件。它使用了一種類似于生物礦化作用的工藝。所謂的生物礦化作用，就是指動物骨骼和牙齒的形成過程。相比于傳統(tǒng)電子器件的制造方式，這項技術(shù)是環(huán)境友好的，它給予研究人員回饋大自然的機(jī)會。

 

Ying Dao 教授、研究生 Erfan Mohammadi 以及論文的合著者們在《自然通信》雜志上發(fā)表了一篇新文章，描述了這種類似生物礦化作用的技術(shù)的工作方式。

 

 

（圖片來源：伊利諾伊大學(xué)）

技術(shù)

 

模板通常用于制造近乎完美的半導(dǎo)體，改善它們的電子特性，或者調(diào)整原子之間的空間，從而得到更好的電子特性。這些模板有利于按照需求的形式，正確地對準(zhǔn)半導(dǎo)體材料的原子，通常是硅和鍺。

 

 

（圖片來源：參考資料【2】）

然而，這種傳統(tǒng)技術(shù)只適用于剛性納米器件，而制造柔性電子器件需要更大、更混亂的有機(jī)聚合物分子，它們無法在固定模板周圍排列。

 

在大自然中，一些生物器官會通過利用柔性生物聚合物，采集或者招募無機(jī)離子，構(gòu)建礦化結(jié)構(gòu)。同樣，Diao 的小組開發(fā)出的模板也是由離子組成，這些離子在半導(dǎo)體聚合物的原子結(jié)構(gòu)周圍重新排列。Diao 稱，通過這種方式，大型聚合物分子能夠形成高度有序的模板化結(jié)構(gòu)。

 

 

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

 

質(zhì)量控制問題一直困擾著有機(jī)半導(dǎo)體，并且拖慢了柔性器件的開發(fā)進(jìn)程，然而這種高度有序的機(jī)構(gòu)解決了這一問題。Diao 說：

 

“我們的模板讓我們通過分子級的排列，控制這些聚合物的組裝。對于印刷報紙來說，墨水分子如何排列沒關(guān)系，而對于電子器件來說，它很至關(guān)重要。”

 

Diao 稱，使用這些動態(tài)模板的制造工藝同樣也是環(huán)境友好的。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝，需要3000華氏度的高溫，并且生產(chǎn)出大量的有機(jī)廢料。而這種工藝則不同，它產(chǎn)生的廢料很少，并且可以在室溫下制造，能夠降低能耗。Diao 說：

 

“我們的研究從大自然中尋找答案。在自然中，聚合物成為了離子的模板。而我們所做的恰恰相反，我們用離子作為聚合物的模板，制造柔性、輕量、生物集成的電子器件，低成本并可以大規(guī)模制造。”

 

   

 

參考資料

 

【1】https://news.illinois.edu/blog/view/6367/529209

 

【2】Erfan Mohammadi, Chuankai Zhao, Yifei Meng, Ge Qu, Fengjiao Zhang, Xikang Zhao, Jianguo Mei, Jian-Min Zuo, Diwakar Shukla, Ying Diao. Dynamic-template-directed multiscale assembly for large-area coating of highly-aligned conjugated polymer thin films. Nature Communications, 2017; 8: 16070 DOI: 10.1038/ncomms16070