纳米探针为笔，铁电薄膜为布，未来半导体器件这么“画”

新民晚报讯（记者 董纯蕾）心芯相印迎新春！庚子新岁第一刻，中国科学院上海技术物理研究所制作了一份别致的礼物：用纳米探针在微米尺度的铁电薄膜上“画”出齐整的心形图案。更重要的是，这些由科学家完成的“画作”与“画技”，对研判新型半导体材料在未来光电器件中的应用价值及相关技术迭代具有重要意义！

图说：利用探针针尖写出的心形铁电畴  来源/采访对象供图

北京时间今天（2020年1月25日）0时，中科院上海技术物理研究所王建禄研究员等人，在国际学术期刊《自然·电子学》（Nature Electronics）上发表了基于新型半导体材料的微纳光电、电子器件制备方法。采用这种新“画法”，在肉眼看不真切的微米、纳米尺度芯片“画”一颗心，仅需三五分钟，比用传统方法制备半导体微纳器件工艺大大简化。

图说：论文发表  来源/采访对象供图

从电脑到手机，从互联网到物联网，从AI（人工智能）到5G……半导体微器件在现代生活中可谓无处不在。众所周知，目前的主流半导体材料依然是硅。随着新材料的不断涌现，“硅时代”器件已经逼近5纳米物理极限，石墨烯等新型低维半导体材料的出现，为未来更小尺度的器件提供了可能性。一个问题随之而来：“后硅时代”还需要沿用繁琐的旧工艺流程吗？

大多数人可能不了解，获得一枚我们常用的计算机芯片，从材料、器件到系统的集成，需要掺杂、扩散、刻蚀及互联等等几百道甚至上千道工艺，这意味着研发芯片，需要巨大的人力物力投入。若能利用简单的工艺按需“定制”光电子、电子器件的功能，显然会更好更快地促进新材料、新技术的发展与迭代。

图说：刻画现场  来源/采访对象供图

图说：电脑演示  来源/采访对象供图

王建禄研究组，在实验室中用“画笔”和“画布”简化了半导体器件制备的复杂工艺。“这层具有极性的铁电薄膜就像一张纳米厚度神奇画布，纳米探针类似于画笔，运用纳米画笔可以在画布上任意作画，而且画布还可以反复擦写，画作也就是各类微纳器件，可以是光电探测器，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。”上海技物所王建禄研究员讲解道。所谓“极化”，通俗地打比方，好似电池的正负两极。“画笔”如是调控“画布”的极化方向，让正负极方向按需排列，便可以实现对纳米尺度的新型半导体的导电行为的调控，灵活“打造”多种新型功能器件。如，光探测器、太阳能电池及存储器等等。

图说：神奇“画布”与“画笔”工作示意图  来源/采访对象供图

使用按需“绘制”器件的新方法，极大地简化了半导体器件工艺流程，器件性能也可获得提升。例如：光电探测器响应率和同类器件比较提高了近300倍，准非易失存储器的保持时间提高了10倍以上。据王建禄介绍，这一充满未来感的新制备方法，可用于新型半导体材料的应用验证、新型光电器件结构设计及功能开发，仿佛为人们预演了未来芯片技术。

图说：利用探针针尖写出的心形铁电畴电流响应  来源/采访对象供图

据介绍，这一整套按需“绘制”、随心所“画”，器件设计制备新方法的研究工作，由中科院上海技物所与复旦大学、华东师范大学、南京大学，中科院微电子所等多个课题组合作完成，相关技术已申请了多项相关发明专利。