中科院理化所劉靜團隊改變了半導體的傳統高溫制造策略，提出了大面積寬禁帶超薄準二維GaN半導體的室溫印刷。作為該領域的首次試驗，該方法通過引入等離子體介導，使得室溫印刷液態金屬鎵的受限氮化反應成為可能（圖1（c））。研究小組將基于這種反應路徑生長GaN的化學反應定義為：

  氮一直被視為經典的惰性氣體，即使在高溫下也無法與鎵直接發生反應，這幾乎是自然界中的鐵律。然而，這一基本認知由于上述發現而得到更新，一切均因等離子體使得鎵的室溫氮化反應成為現實。這背后的核心機制在于，注入的氮等離子體處于熱力學激發的穩定狀態和離子形式，因此化學反應的活化能比較低，由此使得基于氮等離子體和液態Ga之間的直接反應變得很容易，繼而生成GaN半導體，且從最薄1nm到更厚尺度可控。與此不同的是，經典的制備GaN薄膜的方法通常需要極高的溫度，例如MOCVD（約950°C-1050°C）和ALD（>250°C）（圖1（a）和1（b））；同時，有毒物質往往難以避免；即便如此，要實現1nm厚度GaN半導體薄膜存在巨大技術挑戰。這些情形不利于大規模的半導體工業生產，所以一直以來由GaN制成的器件通常較為昂貴。與 MOCVD、MBE和ALD等工藝相比，液態Ga表面氮等離子體處理技術催生了GaN的室溫生長，且無需復雜的前驅體配置及高昂的設備。這種變革性的GaN薄膜制備技術大大節省了半導體工藝的制備成本和能耗。

  本文中的最新發現為降低關鍵半導體氮化鎵制造中的能量和相關成本開辟了一條便捷易行的途徑。此外，值得注意的還在于，這種半導體室溫印刷具有廣泛的用途，可以生產厚度從1 nm到20 nm以上的GaN，也稱為準二維(2D)半導體，是制造高質量微電子器件的顯著候選材料。這意味著半導體制造會迎來一個新的開端。雖然現階段該方法仍然不夠完善，但有大量候選方案可用于進一步提升制造質量。例如，對于印刷GaN薄膜中存在的潛在缺陷，可以采用快速熱退火來有效消除晶體缺陷。眾所周知，半導體技術自誕生以來就一直伴隨著業界對晶格缺陷的大量研究，而在實踐中，有缺陷的晶體并不一定會導致劣質器件，可以采用化學和結構完整的半導體來調節材料特性。同時，控制（減少、消除）缺陷和利用缺陷將提高器件的性能和成品率。此外，未來可嘗試更多的替代方案，這一新領域有足夠的空間可以探索。

  在不久的將來，還可以通過在液態金屬表面設計適當的能量耦合取代反應來制備由更多金屬組成的二維半導體。范德瓦爾斯（vdW）剝離技術可用于在原子水平上裁剪和組裝這些均勻的2D半導體單分子膜，這可能導致超晶格和異質結構的制造。液態金屬基質提供了超快速、清潔和高度可控的轉印傳輸策略。通過整合現有的基于液態金屬的浮動平板玻璃技術，可以在液態金屬表面上實現大面積高質量2D半導體的受控轉移，有望在未來的工業制造中發揮關鍵作用。

  總之，新興的液態金屬印刷半導體為快速成型下一代電子器件、功能器件甚至集成電路以及用戶端芯片開辟了一條有希望的途徑。這將給半導體制造業帶來新的動力。雖然第三代半導體在現階段仍不能取代硅材料，但隨著液態金屬印刷半導體材料家族的不斷擴大，預計更多的新型半導體材料將被開發，為更廣泛的研究和應用提供基礎，可望在半導體材料創新的基礎上帶來重大的產業變革，乃至助力能源技術進步，如低成本和綠色制造、太陽能分解水制氫、光伏發電、風力發電系統、電動和混合動力汽車等。

  作者簡介

  劉靜，中國科學院理化技術研究所及清華大學雙聘教授，長期從事液態金屬、工程熱物理與生物醫學工程等方面交叉問題研究。發現液態金屬諸多全新科學現象、基礎效應和變革性應用途徑，開辟有液態金屬芯片冷卻、液態金屬印刷電子學、液態金屬生物材料學以及液態金屬柔性機器學等領域，提出并推動了中國液態金屬谷以及室溫液態金屬全新工業的創建和發展，成果在世界范圍產生廣泛影響，為國際科學新聞大量評介；研發的眾多液態金屬應用系統、大型腫瘤治療裝備-康博刀系統及無線移動醫學儀器等得到廣泛應用。出版17部跨學科前沿著作；約50篇液態金屬主題論文入選國際期刊封面或封底故事；獲授權發明專利300余項。曾獲國際傳熱界最高獎之一“威廉 • 伯格獎”、2017全國首屆創新爭先獎、CCTV 2015年度十大科技創新人物，入選“兩院院士評選中國十大科技進展新聞”、R&D100 Awards Finalists等，2003年國家杰出青年基金獲得者。

  李倩，中國科學院理化技術研究所助理研究員，于吉林大學獲得博士學位，先后在中科院物理所及中科院理化所開展博士后研究。主要研究方向：液態金屬印刷電子、功能器件、半導體材料及光電子器件。