太阳能电池板、照相机、生物传感器和光纤都是依赖光电探测器的技术，或将光转化为电的传感器。光电探测器正变得更加高效和实惠，其组件半导体芯片的尺寸也在不断缩小。然而，这种小型化正在挑战当前材料和制造方法的极限，迫使人们在尺寸和性能之间作出权衡。

传统的半导体芯片制造工艺有许多限制。芯片是通过在晶圆顶部生长半导体薄膜来制造的，薄膜的晶体结构与基片晶圆的晶体结构一致。这使得薄膜难以转移到其他基底材料上，降低了其适用性。

此外，目前转移和堆叠这些薄膜的方法是通过机械剥离完成的，在这个过程中，一块胶带将半导体薄膜拉下来，然后逐层转移到一个新的基片上。这个过程导致多个不均匀的层相互堆叠，每层的缺陷都累积在整体上。这个过程影响了产品的质量，同时也限制了这些芯片的可重复性和可扩展性。

最后，某些材料在极薄的层中不能很好地发挥作用。硅作为半导体芯片的首选材料仍然无处不在，然而，它越薄，作为光子结构的表现就越差，使它在光电探测器中的表现并不理想。其他表现比硅更好的极薄层的材料仍然需要一定的厚度来与光互动，这就提出了一个挑战，即确定最佳的光子材料及其在光电探测器半导体芯片中运行的关键厚度。

用硅以外的材料制造均匀的、极薄的、高质量的光子半导体薄膜将使半导体芯片更加高效、适用和可扩展。

宾夕法尼亚州工程师Deep Jariwala（电气和系统工程系助理教授）、Pawan Kumar和Jason Lynch（他实验室的一名博士后研究员和一名博士生）领导了一项发表在《自然-纳米技术》上的研究，目的就是为了实现这一目标。材料科学与工程系教授Eric Stach与他的博士后Surendra Anantharaman、博士生张惠琴和本科生Francisco Barrera也对这项工作做出了贡献。这项合作研究还包括宾夕法尼亚州立大学、AIXTRON爱思强、加州大学洛杉矶分校、空军研究实验室和布鲁克海文国家实验室的研究人员，并主要由陆军研究实验室资助。他们的论文描述了一种制造原子级薄的超晶格或半导体薄膜的新方法，这些超晶格或半导体薄膜具有高度的光辐射性。

一原子厚的材料通常采取晶格的形式，或由几何排列的原子层组成，形成每种材料特有的图案。超级晶格是由不同材料的晶格相互堆叠而成的。超晶格具有全新的光学、化学和物理特性，使它们可以适应特定的应用，如光子学和其他传感器。

宾夕法尼亚工程公司的团队制作了一个钨和硫（WS2）的超级晶格，有五个原子厚。

库马尔说："在使用模拟进行了两年的研究，告知我们超晶格将如何与环境互动之后，我们已经准备好通过实验来构建超晶格。因为传统的超晶格是直接在所需的基底上生长的，它们往往有数百万个原子的厚度，而且很难转移到其他材料基底上。我们与行业伙伴合作，以确保我们的原子薄超晶格的生长是可扩展的，适用于许多不同的材料。"

他们在两英寸的晶圆上生长了单层原子，或称晶格，然后溶解了基底，这使得晶格可以转移到任何需要的材料上，在他们的案例中是蓝宝石。此外，他们的晶格是用原子的重复单位在一个方向上排列创建的，以使超晶格成为二维的、紧凑的和高效的。

我们的设计也是可扩展的，我们能够用我们的方法创建一个表面积以厘米为单位的超晶格，这与目前正在生产的微米级硅超晶格相比，是一个重大改进。这种可扩展性是可能的，因为我们的超晶格的厚度均匀，这使得制造过程简单且可重复。可扩展性对于能够将我们的超晶格放在行业标准的四英寸芯片上非常重要。

他们的超晶格设计不仅非常薄，使其重量轻，成本低，而且还可以发射光，而不仅仅是检测光。

我们在超晶格中使用一种新型结构，涉及激子-极子，这是一种由一半物质和一半光组成的准态粒子，光是很难控制的，但我们可以控制物质，我们发现通过操纵超晶格的形状，我们可以间接地控制从它发出的光。这意味着我们的超晶格可以成为一个光源。这项技术有可能大大改善自动驾驶汽车、面部识别和计算机视觉中的激光雷达系统。

能够用同一种材料同时发射和探测光，为更复杂的应用打开了大门。

林奇说："我可以看到我们的超晶格目前用于的一项技术是集成光子计算机芯片，它由光驱动。光的移动速度比电子快，因此由光驱动的芯片将提高计算速度，使计算过程更有效率，但挑战是找到一个可以为芯片供电的光源。我们的超晶格可能是这方面的一个解决方案。"

这项新技术的应用是多样化的，可能将包括高科技机器人、火箭和激光。由于这些超晶格的应用范围很广，可扩展性非常重要。

我们的超晶格是用一种普通的、不复杂的工艺制成的，不需要在无尘室中进行多个步骤，可以很容易地重复这一过程，此外，该设计适用于许多不同类型的材料，允许适应性。

在科技界，不断有事物向纳米级发展，我们肯定会看到微芯片和制造微芯片的结构变薄，我们在二维材料方面的工作是这种演变的一部分。

当然，当我们把东西变薄并使技术变得越来越小时，我们开始与量子力学互动，这时我们会看到有趣和意想不到的现象发生。