如果未來的手機能像紙一樣卷起來塞進錢包，那芯片裡悄然發生的革命，或許就從一層薄到隻有0.6納米的“保鮮膜”開始。近日，西湖大學孔瑋團隊成功把晶圓級單晶二硫化鉬薄膜無損傷地集成到了柔性基底上，一舉摘掉了傳統工藝留下的“頑固污漬”。同時，這些高性能晶體管被集結成柔性邏輯反相器陣列，創下目前已知柔性薄膜電子系統的最低功耗紀錄之一，增益性能更是比同類硅基、有機半導體或碳納米管器件高出一倍以上。

記者了解到，大眾熟悉的硅芯片正遭遇天花板：晶體管越做越小，漏電卻越來越凶，而且硅片天生硬脆，沒法折疊。這時候，以二硫化鉬為代表的二維半導體材料“站”了出來。你可以把二硫化鉬想象成隻有一層鉬原子夾在兩層硫原子中間的“原子三明治”，厚度不過0.6納米。它就像石墨烯的“師弟”，生來就出奇柔韌，反復彎折也安然無恙。更絕的是，它還是天然的半導體，能像硅那樣通過電流的“開”和“關”來處理信息，可充當計算的核心器件。由於薄到了極致，柵極電場能對電流通道進行“全方位無死角”的調控，漏電難題迎刃而解，被看作接棒摩爾定律的理想候選者。

但孔瑋團隊的追求不止於薄，他們要的是“超級有序”——單晶二維材料。單晶內部的原子排列像儀仗隊一樣整齊劃一，沒有一塊塊“晶界”來搗亂。“如果換成多晶材料，電子在裡面穿行，就好比開車闖進了滿是泥濘和減速帶的鄉間小路，速度慢、損耗大。可惜，想把這樣完美的單晶薄膜從生長它的藍寶石襯底上揭下來，再完好地挪到柔軟的塑料基底上，並不容易。”孔瑋說。

“過去，這道工序長期被‘濕法轉移’統治。說白了，就是用有機溶劑和高分子聚合物把薄膜‘搓’下來，結果總會在二硫化鉬表面留下一層抹不掉的殘渣。”博士生徐翔回想起早些年觀察樣品時，總覺得表面“臟”得厲害，“肉眼可見的質量較差”，這些殘留物嚴重拖垮了電子器件的性能和均勻性，讓它根本無法應用到大面積集成電路上。

面對積弊，團隊沒有繼續跟化學藥水死磕，而是拿出一套“氧化物干法轉移”工藝。他們的靈感，正來自孔瑋過去在半導體薄膜集成領域的積累。“這套新方法，更像是給二硫化鉬貼了一張精心調制的‘雙層面膜’——先通過電子束蒸鍍一層極薄的三氧化二鋁，讓它牢牢貼合薄膜﹔緊接著，再用原子層沉積技術覆蓋上第二層三氧化二鋁。這兩層裡，一層負責‘搬’得牢固，另一層則直接變身器件的高介電系數介質層，既能存儲更多電荷，又順手把器件性能提了上去。經這麼一‘貼’，薄膜表面變得像鏡面一樣干淨平整，再也見不到有機物殘留的半點‘斑點’。”

“面膜”一換，效果立現。團隊在此基礎上造出了4英寸晶圓級高密度柔性晶體管陣列，成績相當亮眼：電流開關比接近10的12次方，相當於一個水龍頭，開通時水流澎湃，關上后滴水不漏﹔載流子遷移率達到柔性材料裡的頂尖“奔跑速度”﹔亞閾值擺幅幾乎逼近物理極限，意味著隻需一丁點兒電壓波動，就能讓開關瞬間切換，功耗極低。

孔瑋說：“而最讓人觸碰到未來感的，是一隻藍色機械手。我們把由10×10個觸覺單元組成的活性矩陣觸覺傳感器，像‘電子皮膚’一樣裹在軟體機器人的抓手表面。每個單元都由一個二硫化鉬晶體管精准控制，當抓手輕輕夾起一枚螺帽時，它能清晰‘感受’到200帕斯卡的微弱壓力——這大約是指甲蓋上放2克重物，或者清風拂面時的觸動。那種感覺，就像機器真正擁有了觸碰的知覺。”（記者晉浩天）