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用的是纳米“画笔”,“画布”可反复擦写,上海科学家提出设计微器件新方法

上观新闻 01-25

" 这层具有极性的铁电薄膜就像一张纳米厚度的神奇画布,纳米探针类似于画笔,运用纳米画笔可在画布上任意作画,而且画布可以反复擦写,画出来的作品正是各类微纳器件,既可以是光电子探测器,亦可以是存储器等,这种方法给制备微纳器件提供了丰富想象力。" 中科院上海技物所王建禄研究员说。

旋涂上铁电薄膜层的器件衬底

解放日报 · 上观新闻记者获悉,1 月 25 日凌晨,王建禄课题组在国际著名期刊《自然 · 电子学》上发表了基于新型材料的微纳光电、电子器件制备方法。

半导体微器件支撑的电子及光电子技术已广泛应用于人工智能和 5G 互联。然而,从器件到系统的集成仍需要很多复杂技术与繁琐流程,例如要通过几百道甚至上千道工艺才能获得常用的计算机芯片。能否利用简单工艺按需实现基本的光电子、电子器件功能?

从传统半导体技术来看,硅基技术的集成度越来越高,工艺技术节点已逼近 5 纳米的物理极限。从已经出现的新型半导体材料掺杂方法来看,又存在着一些局限性。比如,传统 " 静电掺杂 " 方法需要一直保持一定的电压," 原子插层 " 使用的化学方法可控性比较差,而 " 激光扫描 " 方法不可逆的,一旦坏了就没法用了。能否跳出传统的思路,实现殊途同归呢?

王建禄课题组借助于具有极化特征的铁电薄膜材料,通过纳米探针调控薄膜的极化方向,进而对低维半导体的导电行为进行调控。这就相当于给半导体加了一个电场,用一支 " 纳米画笔 " 在 " 画布 " 上 " 画 " 出微器件。

这支画笔有多大?笔尖尺度仅有几个纳米。画布是什么材料?一类特殊的聚合物——聚偏氟乙烯,可以保持电荷极化状态。王建禄介绍,在这张透明的 " 画布 " 上,不仅可以任意作画,而且画布可以反复擦写。

利用原子力显微镜针尖在铁电薄膜层上写出的心形铁电畴图案

解放日报 · 上观新闻记者在实验室看到,研究人员把 " 画布 " 放进操作箱后,只需在电脑上简单操作,一颗心形的器件就跃然 " 屏 " 上了。

基于这种方法,课题组构建了光电探测器和存储器等多种功能性器件,而且极大提升了器件性能,拓宽了应用可能性。比如,光电探测器响应率与同类器件比较提高了近 300 倍;与复旦大学微电子学院周鹏教授合作,将该技术应用于准非易失存储器研究,保持时间从 10 秒提高到了 100 秒以上。

该技术极大地简化了新型半导体工艺过程,也为未来芯片技术研究提供了新途径。

这项研究由中国科学院上海技术物理研究所与复旦大学、华东师范大学、南京大学,中国科学院微电子所等多个课题组合作完成。

栏目主编:黄海华 本文作者:黄海华 文字编辑:黄海华 题图来源:视觉中国 图片编辑:苏唯

文中视频与图片由作者拍摄

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