中国粉体网讯 近日中科院宣布，国内学者研发出一种简单制备低维半导体器件的方法——用“纳米画笔”勾勒未来光电子器件，它可以“画出”各种需要的芯片。这种制备方法适用于几乎所有的半导体薄膜材料，但由于传统材料的制备工艺已相对成熟，新方法更适合用于未来新型低维半导体材料的应用上。
随着电子制造技术的发展，人们对电子芯片制造精度的要求越来越高，由此带来半导体加工技术难度越来越高，以至于10nm以下的加工工艺逐渐成为行业技术壁垒，只有少数几家企业掌握相关稳定生产的核心技术。
面对国内日益迫切的半导体加工产业技术升级需要，中科院表示，在可预期的未来，相关半导体加工企业需要在更小面积上集成更多电子元件。针对这种需求，厚度仅有0．3至几纳米的低维材料应运而生，这类材料可以用于制备纳米厚度的电子器件。然而，从材料到器件这一过程所需要的繁琐加工工艺为快速筛选合适的低维材料带来较大影响。
由于二维材料属于纳米级材料，其性质很容易受环境影响。利用这一特性，研究人员在材料表面覆盖一层铁电薄膜，然后使用纳米探针施加电压在铁电薄膜层扫描，通过改变对应位置铁电材料的性质来实现对二维材料精准操控。研究人员只需要在设计好相关器件功能后，充分根据需要使用纳米探针“画笔”在铁电薄膜“画布”上画出电子器件图形，进而利用铁电薄膜对低维半导体材料物理性质的影响制成所需器件。
实际实验操作中的“画笔”是原子力显微镜的纳米探针，其作用相当于传统晶体管施加正/负电压的栅电极。相对传统栅电极而言，原子力显微镜纳米探针具有更高的移动性，因而在应用中探针就像一只“行走的画笔”，研究人员只需控制加在针尖上电压的正负性，就能轻易在水平空间上精确“画出”纳米尺度器件。比如存储器、光探测器、光伏电池等等。
更令人惊奇的是在一个器件“画好”以后，还可以通过施加不同扫描电压写成新功能的器件，就像在纸上写字然后用橡皮擦干净再重新写上一样，即同一个器件可以反复利用、实现不同功能。
用探针针尖写出来的心形图案，充分体现了图形编辑的任意性。
研究人员还进一步将这种探针扫描技术应用于准非易失性存储器。
准非易失性存储器是指同时满足写入数据速度较快，保存数据的时间较长的一类存储器。此外，这种器件制备技术还可用于设计“电写入，光读出”的存储器。
由于低维半导体载流子类型在针尖扫描电场作用下会发生改变，这导致其发光强度也会出现明显变化。因此结合扫描图形任意编辑的特点，科研人员就可以设计出周期性变化的阵列。这些阵列图形的每个区域都经过针尖去控制它的载流子类型，进而控制低维材料的发光强度，然后通过一个相机拍照就能直接获取一张荧光强度照片。科研人员可以简单直接地通过拍荧光照片的方式同时获取每个存储单元的信息。运用该技术，若用电压读出的方式，理论上的存储密度可以达到几个T－Byte／in2。
本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，中国科学院微电子研究所等多个课题组合作完成。研究成果已于2020年1月24日，发表于《自然－电子学》，文章标题“Programmable transition metal dichalcogenide homojunctions controlled by nonvolatile ferroelectric domains”。
相关文献链接：https://doi.org/10.1038/s41928-019-0350-y
信息来源：中新社、中科院上海技术物理研究所、驱动之家、《自然－电子学》
（中国粉体网编辑整理/江岸）
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