“納米畫(huà)筆”勾勒未來(lái)光電子器件

如今人們的生活節奏在加快，對電子設備的要求也越來(lái)越高。各種新款電子設備都在變著(zhù)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(zhù)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(zhù)這些電子元件功能單元的體積越來(lái)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(gè)晶體管單元；手機相機成像芯片可以達到幾千萬(wàn)甚至上億像素，里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。

可預期的未來(lái)，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(fā)絲直徑幾萬(wàn)分之一）的低維材料應運而生。這類(lèi)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(jīng)過(guò)十分繁瑣復雜的工藝過(guò)程，這對快速篩選適合用于制備電子器件的低維材料極為不利。

近日，中科院上海技術(shù)物理研究所科研人員研發(fā)出了一種簡(jiǎn)單的制備低維半導體器件的方法——用“納米畫(huà)筆”勾勒未來(lái)光電子器件。由于二維材料如同薄薄的一張紙，它的性質(zhì)很容易受到環(huán)境影響。利用這一特性，研究人員在二維材料表面覆蓋一層鐵電薄膜，使用納米探針施加電壓在鐵電材料表面掃描，通過(guò)改變對應位置鐵電材料的性質(zhì)來(lái)實(shí)現對二維材料性質(zhì)的精準操控。當設計好器件功能后，科研人員只需發(fā)揮想象，使用納米探針“畫(huà)筆”在鐵電薄膜“畫(huà)布”上畫(huà)出各種各樣的電子器件圖案，利用鐵電薄膜對低維半導體材料物理性質(zhì)的影響，就能制成所需的器件。

實(shí)際實(shí)驗操作中，“畫(huà)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(lái)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(dòng)的，如同一支“行走的畫(huà)筆”，在水平空間上可以精確“畫(huà)出”納米尺度的器件。在這個(gè)過(guò)程中，研究人員通過(guò)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，比如存儲器、光探測器、光伏電池等等。

研究人員還進(jìn)一步將這種探針掃描技術(shù)應用于準非易失性存儲器。準非易失性存儲器是指同時(shí)滿(mǎn)足寫(xiě)入數據速度較快，保存數據的時(shí)間較長(cháng)的一類(lèi)存儲器。發(fā)展這類(lèi)存儲技術(shù)很有意義，比如它可以在我們關(guān)閉計算機或者突然性、意外性關(guān)閉計算機的時(shí)候延長(cháng)數據的保存時(shí)間。

此外，這種器件制備技術(shù)還可用于設計“電寫(xiě)入，光讀出”的存儲器，我們日常使用的光盤(pán)就是典型的“光讀出”的存儲媒介。由于低維半導體載流子類(lèi)型在針尖掃描電場(chǎng)作用下會(huì )發(fā)生改變，這導致其發(fā)光強度也會(huì )出現明顯變化。因此結合掃描圖形任意編輯的特點(diǎn)，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(gè)區域都經(jīng)過(guò)針尖去控制它的載流子類(lèi)型，進(jìn)而控制低維材料的發(fā)光強度，然后通過(guò)一個(gè)相機拍照就能直接獲取一張熒光強度照片。每一個(gè)存儲單元的信息都在這張照片里“一目了然”，暗的單元可以用來(lái)代表存儲態(tài)中的“0”，亮的單元可以用來(lái)表示“1” ，類(lèi)似于一種新型存儲“光盤(pán)”。

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

本研究由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所與復旦大學(xué)、華東師范大學(xué)、南京大學(xué)，中國科學(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)》，文章標題“Programmable transition metal dichalcogenide homojunctions controlled by nonvolatile ferroelectric domains”。