“納米畫筆”勾勒未來光電子器件

如今人們的生活節(jié)奏在加快，對電子設(shè)備的要求也越來越高。各種新款電子設(shè)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(shè)備的功能越豐富、性能越強大，意味著這些設(shè)備單位體積中容納的電子元件數(shù)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(shù)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，里面的感光靈敏元達到了上億數(shù)目；手機的存儲容量也已達到幾百GB，甚至TB），同樣包含了數(shù)億計的存儲功能單元。

可預(yù)期的未來，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(fā)絲直徑幾萬分之一）的低維材料應(yīng)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(xiàn)有的制備工藝需要經(jīng)過十分繁瑣復(fù)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)出了一種簡單的制備低維半導(dǎo)體器件的方法——用“納米畫筆”勾勒未來光電子器件。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，通過改變對應(yīng)位置鐵電材料的性質(zhì)來實現(xiàn)對二維材料性質(zhì)的精準(zhǔn)操控。當(dāng)設(shè)計好器件功能后，科研人員只需發(fā)揮想象，使用納米探針“畫筆”在鐵電薄膜“畫布”上畫出各種各樣的電子器件圖案，利用鐵電薄膜對低維半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)的影響，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(dāng)于傳統(tǒng)晶體管的柵電極，可以用來加正電壓或負(fù)電壓。但不同于傳統(tǒng)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(fù)性，就能輕易構(gòu)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。

研究人員還進一步將這種探針掃描技術(shù)應(yīng)用于準(zhǔn)非易失性存儲器。準(zhǔn)非易失性存儲器是指同時滿足寫入數(shù)據(jù)速度較快，保存數(shù)據(jù)的時間較長的一類存儲器。發(fā)展這類存儲技術(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)閉計算機的時候延長數(shù)據(jù)的保存時間。

此外，這種器件制備技術(shù)還可用于設(shè)計“電寫入，光讀出”的存儲器，我們?nèi)粘Ｊ褂玫墓獗P就是典型的“光讀出”的存儲媒介。由于低維半導(dǎo)體載流子類型在針尖掃描電場作用下會發(fā)生改變，這導(dǎo)致其發(fā)光強度也會出現(xiàn)明顯變化。因此結(jié)合掃描圖形任意編輯的特點，科研人員就可以設(shè)計出周期性變化的陣列。

這些陣列圖形的每個區(qū)域都經(jīng)過針尖去控制它的載流子類型，進而控制低維材料的發(fā)光強度，然后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里“一目了然”，暗的單元可以用來代表存儲態(tài)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(shù)，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。

本研究由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所與復(fù)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(biāo)題“Programmable transition metal dichalcogenide homojunctions controlled by nonvolatile ferroelectric domains”。