中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日中科院宣布，國(guó)內(nèi)學(xué)者研發(fā)出一種簡(jiǎn)單制備低維半導(dǎo)體器件的方法——用“納米畫筆”勾勒未來(lái)光電子器件，它可以“畫出”各種需要的芯片。這種制備方法適用于幾乎所有的半導(dǎo)體薄膜材料，但由于傳統(tǒng)材料的制備工藝已相對(duì)成熟，新方法更適合用于未來(lái)新型低維半導(dǎo)體材料的應(yīng)用上。
隨著電子制造技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)電子芯片制造精度的要求越來(lái)越高，由此帶來(lái)半導(dǎo)體加工技術(shù)難度越來(lái)越高，以至于10nm以下的加工工藝逐漸成為行業(yè)技術(shù)壁壘，只有少數(shù)幾家企業(yè)掌握相關(guān)穩(wěn)定生產(chǎn)的核心技術(shù)。
面對(duì)國(guó)內(nèi)日益迫切的半導(dǎo)體加工產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)需要，中科院表示，在可預(yù)期的未來(lái)，相關(guān)半導(dǎo)體加工企業(yè)需要在更小面積上集成更多電子元件。針對(duì)這種需求，厚度僅有0．3至幾納米的低維材料應(yīng)運(yùn)而生，這類材料可以用于制備納米厚度的電子器件。然而，從材料到器件這一過程所需要的繁瑣加工工藝為快速篩選合適的低維材料帶來(lái)較大影響。
由于二維材料屬于納米級(jí)材料，其性質(zhì)很容易受環(huán)境影響。利用這一特性，研究人員在材料表面覆蓋一層鐵電薄膜，然后使用納米探針施加電壓在鐵電薄膜層掃描，通過改變對(duì)應(yīng)位置鐵電材料的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)二維材料精準(zhǔn)操控。研究人員只需要在設(shè)計(jì)好相關(guān)器件功能后，充分根據(jù)需要使用納米探針“畫筆”在鐵電薄膜“畫布”上畫出電子器件圖形，進(jìn)而利用鐵電薄膜對(duì)低維半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)的影響制成所需器件。
實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中的“畫筆”是原子力顯微鏡的納米探針，其作用相當(dāng)于傳統(tǒng)晶體管施加正/負(fù)電壓的柵電極。相對(duì)傳統(tǒng)柵電極而言，原子力顯微鏡納米探針具有更高的移動(dòng)性，因而在應(yīng)用中探針就像一只“行走的畫筆”，研究人員只需控制加在針尖上電壓的正負(fù)性，就能輕易在水平空間上精確“畫出”納米尺度器件。比如存儲(chǔ)器、光探測(cè)器、光伏電池等等。
更令人驚奇的是在一個(gè)器件“畫好”以后，還可以通過施加不同掃描電壓寫成新功能的器件，就像在紙上寫字然后用橡皮擦干凈再重新寫上一樣，即同一個(gè)器件可以反復(fù)利用、實(shí)現(xiàn)不同功能。
用探針針尖寫出來(lái)的心形圖案，充分體現(xiàn)了圖形編輯的任意性。
研究人員還進(jìn)一步將這種探針掃描技術(shù)應(yīng)用于準(zhǔn)非易失性存儲(chǔ)器。
準(zhǔn)非易失性存儲(chǔ)器是指同時(shí)滿足寫入數(shù)據(jù)速度較快，保存數(shù)據(jù)的時(shí)間較長(zhǎng)的一類存儲(chǔ)器。此外，這種器件制備技術(shù)還可用于設(shè)計(jì)“電寫入，光讀出”的存儲(chǔ)器。
由于低維半導(dǎo)體載流子類型在針尖掃描電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生改變，這導(dǎo)致其發(fā)光強(qiáng)度也會(huì)出現(xiàn)明顯變化。因此結(jié)合掃描圖形任意編輯的特點(diǎn)，科研人員就可以設(shè)計(jì)出周期性變化的陣列。這些陣列圖形的每個(gè)區(qū)域都經(jīng)過針尖去控制它的載流子類型，進(jìn)而控制低維材料的發(fā)光強(qiáng)度，然后通過一個(gè)相機(jī)拍照就能直接獲取一張熒光強(qiáng)度照片�？蒲腥藛T可以簡(jiǎn)單直接地通過拍熒光照片的方式同時(shí)獲取每個(gè)存儲(chǔ)單元的信息。運(yùn)用該技術(shù)，若用電壓讀出的方式，理論上的存儲(chǔ)密度可以達(dá)到幾個(gè)T－Byte／in2。
本研究由中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所與復(fù)旦大學(xué)、華東師范大學(xué)、南京大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所等多個(gè)課題組合作完成。研究成果已于2020年1月24日，發(fā)表于《自然－電子學(xué)》，文章標(biāo)題“Programmable transition metal dichalcogenide homojunctions controlled by nonvolatile ferroelectric domains”。
相關(guān)文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41928-019-0350-y
信息來(lái)源：中新社、中科院上海技術(shù)物理研究所、驅(qū)動(dòng)之家、《自然－電子學(xué)》
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
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