“纳米画笔”勾勒未来光电子器件

近日，中科院上海技术物理研究所科研人员研发发出了一种简单的，制备低维半导体材料器件的方法——用“纳米画笔”勾勒未来光电子器件。...



如今人们的生活，节奏在加快，对电子设备的，要求也越来越高。各种新款电子设备都在变着法子，表明自己功能更强大、体型更轻薄。然而，电子设备的功能越丰富、性能越强大，意味着这些设备单位体积中容纳的，电子元件数目越多；体型越小意味着这些电子元件功能单元的，体积越来越小。

就像我们每天都使用，的手机，它的中央处理器（CUP）中包含了，数十亿个晶体管单元；手机相机成像芯片可以达到几千万，甚至上亿像素，里面的感光灵敏元达到了，上亿数目；手机的存储容量也已达到，几百g-byte（比特），甚至T-byte（比特），同样包含了数亿计，的存储功能单元。

可预期的未来，需要在更小的，面积集成更多的电子元件。针对这种需求，厚度仅有0.3至几纳米（头发丝直径几万分之一）的低维材料应运而生。这类材料可以，比作超薄的纸张，只是比纸薄很多，可以用于制备纳米级别厚度，的电子器件。从材料到器件，现有的制备工艺需要经过，十分繁琐复杂的工艺过程，这对快速筛选适合用于制备电子器件的，低维材料极为不利。

近日，中科院上海技术物理研究所科研人员研，发出了一种简单的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。由于二维材料如同，薄薄的一张纸，它的性质很容易，受到环境影响。利用这一特性，研究人员在二维材料表面覆盖，一层铁电薄膜，使用纳米探针施加电压，在铁电材料表面扫描，通过改变对应位置铁电材料的性质，来实现对二维材料性质的精准操控。当设计好器件功能后，科研人员只需发挥想象，使用纳米探针“画笔”在铁电薄膜“画布”上画出各种各样，的电子器件图案，利用铁电薄膜对低维，半导体材料物理性质的影响，就能制成所需的器件。

实际实验操作中，“画笔”是原子力显微镜的，纳米探针，它的作用就相当于传统晶体管，的栅电极，可以用来加正电压或，负电压。但不同于传统栅电极，原子力显微镜的针尖，是可以任意移动的，如同一支“行走的画笔”，在水平空间上可以精确“画出”纳米尺度的器件。在这个过程中，研究人员通过控制加在，针尖上电压的正负性，就能轻易构建各种，电子和光子器件，比如存储器、光探测器、光伏电池等等。图2、纳米探针“画笔”在铁电材料“画布”上“画出”电子器件

下图是一张用探针，针尖写出来的心形图案，充分体现了图形，编辑的任意性。而且，一个器件在写好之后，用针尖重新加不同的，电压进行扫描，还能写成新的功能器件，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。就像一个机器人，刷新一下控制程序，就能做不同的事情。

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。发展这类存储技术很，有意义，比如它可以在我们，关闭计算机或者突然性、意外性关闭计算机的，时候延长数据的保存时间。

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，我们日常使用的光盘就是，典型的“光读出”的存储媒介。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。每一个存储单元的信息都，在这张照片(张照片)里“一目了然”，暗的单元可以用来，代表存储态中的“0”，亮的单元可以用来表示“1” ，类似于一种新型存储“光盘”。

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”。

来源：中国科学院上海技术物理研究所

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