“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(duì)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(qiáng)大、體型更輕薄。然而，電子設(shè)備的功能越豐富、性能越強(qiáng)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(jī)，它的中央處理器（CPU）中包含了數(shù)十億個(gè)晶體管單元；手機(jī)相機(jī)成像芯片可以達(dá)到幾千萬甚至上億像素，里面的感光靈敏元達(dá)到了上億數(shù)目；手機(jī)的存儲(chǔ)容量也已達(dá)到幾百GB，甚至TB），同樣包含了數(shù)億計(jì)的存儲(chǔ)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(duì)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(yùn)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(jí)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(duì)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(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(duì)應(yīng)位置鐵電材料的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)二維材料性質(zhì)的精準(zhǔn)操控。當(dāng)設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)際實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(gè)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(chǔ)器、光探測(cè)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(yīng)用于準(zhǔn)非易失性存儲(chǔ)器。準(zhǔn)非易失性存儲(chǔ)器是指同時(shí)滿足寫入數(shù)據(jù)速度較快，保存數(shù)據(jù)的時(shí)間較長(zhǎng)的一類存儲(chǔ)器。發(fā)展這類存儲(chǔ)技術(shù)很有意義，比如它可以在我們關(guān)閉計(jì)算機(jī)或者突然性、意外性關(guān)閉計(jì)算機(jī)的時(shí)候延長(zhǎng)數(shù)據(jù)的保存時(shí)間。

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

這些陣列圖形的每個(gè)區(qū)域都經(jīng)過針尖去控制它的載流子類型，進(jìn)而控制低維材料的發(fā)光強(qiáng)度，然后通過一個(gè)相機(jī)拍照就能直接獲取一張熒光強(qiáng)度照片。每一個(gè)存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)“光盤”。

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

本研究由中國(guó)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(guó)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(biāo)題“Programmable transition metal dichalcogenide homojunctions controlled by nonvolatile ferroelectric domains”。