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“納米畫筆”勾勒未來光電子器件

2020-03-13 上海技術物理研究所
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  如今人們的生活節奏在加快,對電子設備的要求也越來越高。各種新款電子設備都在變著法子表明自己功能更強大、體型更輕薄。然而,電子設備的功能越豐富、性能越強大,意味著這些設備單位體積中容納的電子元件數目越多;體型越小意味著這些電子元件功能單元的體積越來越小。 
  就像我們每天都使用的手機,它的中央處理器(CPU)中包含了數十億個晶體管單元;手機相機成像芯片可以達到幾千萬甚至上億像素,裏面的感光靈敏元達到了上億數目;手機的存儲容量也已達到幾百GB,甚至TB,同樣包含了數億計的存儲功能單元。
  未來,需要在更小的面積集成更多的電子元件。針對這種需求,厚度僅有0.3至幾納米(頭發絲直徑幾萬分之一)的低維材料應運而生。這類材料可以比作超薄的紙張,只是比紙薄很多,可以用于制備納米級別厚度的電子器件。從材料到器件,現有的制備工藝需要經過複雜的工藝過程,這對快速篩選適合用于制備電子器件的低維材料極爲不利。

图1 各类电子和光电子器件(图片来源于网络)

  近日,中國科學院上海技術物理研究所科研人员研发出一种简单的制备低维半导体器件的方法——用“納米畫筆”勾勒未來光電子器件。由于二维材料如同薄薄的一张纸,它的性质很容易受到环境影响。利用这一特性,研究人员在二维材料表面覆盖一层铁电薄膜,使用纳米探针施加电压在铁电材料表面扫描,通过改变对应位置铁电材料的性质来实现对二维材料性质的精准操控。当设计好器件功能后,科研人员只需发挥想象,使用纳米探针“画笔”在铁电薄膜“画布”上画出各种各样的电子器件图案,利用铁电薄膜对低维半导体材料物理性质的影响,就能制成所需的器件。

  實際實驗操作中,“畫筆”是原子力顯微鏡的納米探針,它的作用就相當于傳統晶體管的柵電極,可以用來加正電壓或負電壓。但不同于傳統柵電極,原子力顯微鏡的針尖是可以任意移動的,如同一支“行走的畫筆”,在水平空間上可以精確“畫出”納米尺度的器件。在這個過程中,研究人員通過控制加在針尖上電壓的正負性,就能輕易構建各種電子和光子器件,如存儲器、光探測器、光伏電池等。

图2 纳米探针“画笔”在铁电材料“画布”上“画出”电子器件

  下圖是一張用探針針尖寫出來的心形圖案,充分體現了圖形編輯的任意性。而且,一個器件在寫好之後,用針尖重新加不同的電壓進行掃描,還能寫成新的功能器件,就像在紙上寫字然後用橡皮擦幹淨再重新寫上一樣,即同一個器件可以反複利用、實現不同功能。就像一個機器人,刷新一下控制程序,就能做不同的事情。

图3 利用探针“画”出的“心形”器件

  研究人員還進一步將這種探針掃描技術應用于准非易失性存儲器。准非易失性存儲器是指同時滿足寫入數據速度較快,保存數據的時間較長的一類存儲器。發展這類存儲技術很有意義,如它可以在我們關閉計算機或者突然性、意外性關閉計算機的時候延長數據的保存時間。

  此外,這種器件制備技術可用于設計“電寫入,光讀出”的存儲器,我們日常使用的光盤就是典型的“光讀出”的存儲媒介。由于低維半導體載流子類型在針尖掃描電場作用下會發生改變,導致其發光強度也會出現明顯變化。因此結合掃描圖形任意編輯的特點,科研人員就可以設計出周期性變化的陣列。

  這些陣列圖形的每個區域都經過針尖去控制它的載流子類型,進而控制低維材料的發光強度,然後通過一個相機拍照就能直接獲取一張熒光強度照片。每一個存儲單元的信息都在這張照片裏“一目了然”,暗的單元可以用來代表存儲態中的“0”,亮的單元可以用來表示“1” ,類似于一種新型存儲“光盤”。

  科研人員可以簡單直接地通過拍熒光照片的方式同時獲取每個存儲單元的信息。運用該技術,若用電壓讀出的方式,理論上的存儲密度可以達到幾個T-Byte/in2

圖4 “電寫入,光讀出”的存儲原理及效果

  該研究由上海技物所與複旦大學、華東師範大學、南京大學,中科院微電子研究所等課題組合作完成。1月24日,研究成果以Programmable transition metal dichalcogenide homojunctions controlled by nonvolatile ferroelectric domains爲題,發表在《自然-電子學》上。

打印 責任編輯:侯茜
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