见微知著 打造半导体材料精准研究“利器”

记“纳尺度多场耦合效应的原位表征系统”研制历程

每个人都想拥有“充电五分钟，通话两小时”的理想手机。而这个简单的“理想”却代表着对电子产品中半导体材料和器件性能的极致追求。手机里芯片快速数据运算过程和电池能量存储过程都发生在只有头发丝直径万分之一的纳米尺度下，而这些过程会影响到产品的工作稳定性和服役寿命。

研制高效绿色能源器件和低功耗信息功能器件，亟待从纳米尺度深入研究和理解材料结构与器件性能之间的构效关系，阐明纳尺度多场耦合条件下材料的性能退化与损伤机理、器件的功能退化与失效机理。

近年来，围绕这一前沿基础科学问题，北京科技大学材料科学与工程学院教授、中国科学院院士张跃团队在国家重大科研仪器研制项目（自由申请）的支持下，开展了“纳尺度多场耦合效应的原位表征系统”研制工作。

日前，项目顺利通过结题验收，该仪器的成功研制，将实现对半导体材料在服役过程中各项指标的原位监测。研制过程中，科学家率先实现了在超高真空、极低温、多波段光谱入射采集、纳牛级应力精确加载等条件下，材料微观原子结构、界面能带结构、器件电学性能的跨尺度原位表征，填补了纳尺度多场耦合原位表征技术的空白。

张跃院士（中）、张铮教授（左）与项目组成员在工作中。（研究团队供图）

以国家需求为牵引

在材料科学领域，材料的服役行为研究并不陌生，包括澄清服役环境中材料的损伤机理、认识其损伤动力学过程、评价工程结构的安全性与服役寿命、发展延长寿命的技术等。

过去几十年来，研究者已经在金属材料体系中建立起成熟的材料服役研究和表征方法，监测其服役过程中的各项指标，从而对材料的服役可靠性进行精准判断。

但是，针对半导体材料服役行为的研究却面临较大挑战。据研究人员介绍，一方面，随着芯片集成度提升，半导体器件中材料越来越小，如今单个晶体管核心结构单元的尺寸小于10纳米；另一方面，随着可穿戴设备和便携设备的发展，半导体材料与器件的工作环境越来越复杂，冷热交替、潮湿、弯折与柔性等环境都对材料和器件有了更加严苛的要求。他们意识到，建立能在多场耦合服役条件下针对低维半导体材料的结构和性能演变规律进行原位研究的方法与技术手段，对研制下一代半导体材料与器件尤为重要。

与此同时，国家未来发展对于下一代半导体材料与器件也有重大现实需求。在这样的背景下，研究团队决定自主研制一台新仪器，以在纳尺度多场耦合效应下进行半导体材料和器件性能调控与服役行为原位科学研究。

2016年，在国家自然科学基金资助下，国家重大科研仪器研制项目（自由申请）“纳尺度多场耦合效应的原位表征系统”正式立项。

研究人员向《中国科学报》介绍，研制这一新仪器的难点在于，通过多物理场耦合模拟半导体材料和器件的实际工作条件，从纳尺度原位揭示半导体材料与器件界面载流子输运行为与调控规律。同时，通过材料结构和界面的精细设计，提高半导体器件性能，设计构筑低功耗、高性能的半导体器件，研究建立纳尺度下半导体材料与器件的服役行为研究方法与评价标准。

“研以致用”的实践精神

项目执行的5年中，研究团队坚持设计、制造、研究、验证协同的全链条研究思想，直面建立微纳尺度结构与宏观器件性能之间的关联性这一重大挑战，陆续攻克和解决了多项关键科学和技术难题。

据了解，科研团队始终坚持“研以致用”的工作作风，以应用为导向开展科学研究。

“材料研究不能仅仅停留在‘测一条曲线’上，坚持往前多想一步、争取多做一步，是我们团队多年养成的研究习惯。”项目团队成员、北京科技大学材料科学与工程学院教授廖庆亮介绍说。

正是在“多一步”思想的指引下，研究团队周密布局、仔细论证、充分验证，把每一分钱都花在刀刃上。项目启动之初，研究团队就组建了由业内顶尖专家组成的咨询组，严格把关项目进度和研制方案。

同时，他们走访了30多家国内外生产表征仪器设备的企业和机构，寻求从科学研究到实际应用的经验。同时，充分发挥现有研究平台的作用，遵循模块化设计理念，分模块、分功能逐一验证，陆续研制了多台套功能验证装置，逐个测试了装置和功能的可行性、验证方案的合理性，最终经过多轮论证，形成了系统的研究方案。

具体而言，根据这套设备的目标，研究团队设计了超高真空低温探针、共聚焦激光耦合、设备监控与信号测量等三个子系统。

其中，“超高真空多功能低温探针”“多通道样品台和多功能探针联动耦合系统”“下沉式杜瓦和针阀制冷系统”“三段调节的共聚焦耦合光路”等多项国际领先的“黑科技”，把各项指标做到了极限。

“设备的真空水平实现了10-8Pa的超高真空，温度达到4K的极低温环境，可以模拟太空中地月之间的真空和温度水平，为开展空天探测用半导体材料与器件研究提供了良好的研究平台。”项目团队成员、北京科技大学材料科学与工程学院教授张铮介绍。

此外，该团队还格外注重设备研制的通用性。据了解，这套系统能够广泛应用于能源、电子、传感等领域的功能器件在多场耦合条件下关键结构单元的演变规律和性能调控方法的研究。

用“工匠精神”死磕

“要做世界领先、功能完备、性能最优先的设备，而不仅仅是完成指标要求。”项目启动之初，团队就立下了“军令状”。

为了让先进的科研仪器能够真正用起来，研究团队除了要提出原创的科学思想外，还要直面许多工程和技术难题。为此，他们在可借鉴经验较少的情况下，以兢兢业业的“工匠精神”“死磕”这些难题。

项目团队成员、北京科技大学材料科学与工程学院教授康卓介绍，要表征电子输运行为如何受到外加物理场耦合的影响，必须同时布局力、热、光、电等多个外加物理场的发生装置及相应的表征与测量装置。而在狭小空间中，多个装置互相干扰问题、光路与探针的空间分配问题、超高真空中装置稳定与兼容问题等是最大挑战。为此，项目组通过设计下沉式的制冷装置、多通道样品台和多功能探针系统，巧妙地解决了多路信号同时采集的问题。

摆在项目组面前的另一个重大挑战是光路的耦合问题。在对材料进行光学表征时，需要将一束激光打到材料表面，让其发生变化，然后形成反射光。从科学原理上，要求这两束光走一条严格准直的光路，最终从激光源发出、经样品反射、到达探测器上，才能实现表征。

“对于我们的设备而言，在被检测材料所处的环境中，一束激光需要穿过10个反射镜组成的光路调节镜组、1个直径为1.5厘米的石英玻璃窗口、3个垂直排列的直径小于1厘米的屏蔽舱顶盖，最后准确抵达直径为0.5厘米的物镜后焦面光心，整个光路距离将近1米。在这个距离实现两束激光的准直，就好像一个神枪手在打靶，光路每偏转0.1度都会导致入射和反射光出现巨大偏差。”康卓介绍说。

为了解决这一问题，项目组前后设计了十余套解决方案，从全手动目视调节到成像辅助调节，设计了水平自由度的精确位置控制平台，建立了分步调节方法，最终完美解决了光路耦合的重大问题。

2020年项目接近尾声，突遇新冠疫情袭来，研制进度受到了严重影响。为了赶工期，研究团队的老师和学生们加班加点。“早上一大早就来跟设备‘报到’，晚上深更半夜才回家睡个觉，基本上日夜都和设备呆在一起。”张铮和同事开玩笑，“这台设备就是我的‘孩子’。”

在研究团队的共同努力下，该设备最终按期完成任务指标要求。在2021年5月国家自然科学基金委工程与材料科学部组织的结题验收中，专家组一致认为该项目“全面完成计划，研究工作取得突出进展”，综合评价为“优秀”。

面向未来，研究团队表示，目前的设备仅是1.0版本，在调试和使用的过程中，设备从系统、软件、硬件等多方面将不断简化、优化，经过几年时间的调试，有望达到成果转化需求。

他们期待，该设备能为研制低功耗晶体管、高效率光电转换器件、自驱动可穿戴人工智能传感器件等提供技术支撑。