“納米畫筆”勾勒未來低維半導體器件

　　如今人們的生活節奏在加快，對電子設備的要求也越來越高。各種新款電子設備都在變著法子表明自己功能更強大、體型更輕薄。然而，電子設備的功能越豐富、性能越強大，意味著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，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（頭發絲直徑幾萬分之一）的低維材料應運而生。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，現有的制備工藝需要經過十分繁瑣復雜的工藝過程，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。

圖1、各類電子和光電子器件（圖片來源于網絡）

　　近日，中科院上海技術物理研究所科研人員研發出了一種簡單的制備低維半導體器件的方法——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，它的性質很容易受到環境影響。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，通過改變對應位置鐵電材料的性質來實現對二維材料性質的精準操控。當設計好器件功能后，科研人員只需發揮想象，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體材料物理性質的影響，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，它的作用就相當于傳統晶體管的柵電極，可以用來加正電壓或負電壓。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。

圖2、納米探針“畫筆”在鐵電材料“畫布”上“畫出”電子器件

　　下圖是一張用探針針尖寫出來的心形圖案，充分體現了圖形編輯的任意性。而且，一個器件在寫好之后，用針尖重新加不同的電壓進行掃描，還能寫成新的功能器件，就像在紙上寫字然后用橡皮擦干凈再重新寫上一樣，即同一個器件可以反復利用、實現不同功能。就像一個機器人，刷新一下控制程序，就能做不同的事情。

圖3、利用探針“畫”出的“心形”器件

　　研究人員還進一步將這種探針掃描技術應用于準非易失性存儲器。準非易失性存儲器是指同時滿足寫入數據速度較快，保存數據的時間較長的一類存儲器。發展這類存儲技術很有意義，比如它可以在我們關閉計算機或者突然性、意外性關閉計算機的時候延長數據的保存時間。

　　此外，這種器件制備技術還可用于設計“電寫入，光讀出”的存儲器，我們日常使用的光盤就是典型的“光讀出”的存儲媒介。由于低維半導體載流子類型在針尖掃描電場作用下會發生改變，這導致其發光強度也會出現明顯變化。因此結合掃描圖形任意編輯的特點，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區域都經過針尖去控制它的載流子類型，進而控制低維材料的發光強度，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，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。

圖4 “電寫入，光讀出”的存儲原理及效果

　　本研究由中國科學院上海技術物理研究所與復旦大學、華東師范大學、南京大學，中國科學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，發表于《自然-電子學》，文章標題“Programmable transition metal dichalcogenide homojunctions controlled by nonvolatile ferroelectric domains”。