二維（2D）材料，例如過渡金屬二硫?qū)倩铮═MDs），因其獨特的特性在下一代電子器件中展現(xiàn)出巨大的潛力。這些特性包括原子尺度的厚度，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的靜電控制，以及無懸鍵的表面和范德華力（vdW）相互作用，使得它們成為解決硅基集成電路面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)（如尺寸縮小、熱管理和存儲墻問題）的理想候選者。通過利用2D半導體的特性，場效應晶體管（FETs）和存儲器件的性能可以得到顯著提升。此外，基于2D材料的感知、存儲與計算一體化技術(shù)已經(jīng)取得了巨大成功，為圖像和聲學模式識別與處理等應用提供了傳感器內(nèi)/存儲器內(nèi)計算的可能性。然而，盡管2D材料具有諸多優(yōu)勢，但其vdW表面也帶來了關(guān)鍵挑戰(zhàn)：如何將高質(zhì)量的高介電常數(shù)（high-k）介質(zhì)與2D半導體集成，如同硅技術(shù)中所實現(xiàn)的一樣。傳統(tǒng)的非晶高-k介質(zhì)，如鉿氧化物（HfO2）和鋁氧化物（Al2O3），由于2D材料表面缺乏懸鍵，在直接沉積過程中會出現(xiàn)較差的成核現(xiàn)象，導致界面質(zhì)量不佳，表現(xiàn)為缺陷增加和對TMD層的不期望摻雜。因此，通常需要先沉積緩沖層或種子層來改善ALD工藝的效果。另一方面，轉(zhuǎn)移技術(shù)雖然可以分離介質(zhì)的制備與集成過程，從而降低對合成溫度的要求，但也要求介質(zhì)具備可轉(zhuǎn)移性。例如，單晶鈣鈦礦SrTiO3可以通過脈沖激光沉積制備，并作為獨立薄片轉(zhuǎn)移到TMD器件中。然而，這種方法受限于材料種類和功能的局限性，尤其是在需要多功能介質(zhì)的情況下。因此，探索一種能夠兼容2D技術(shù)、支持轉(zhuǎn)移并與vdW材料形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型介質(zhì)解決方案顯得尤為重要。液相化學法制備的金屬氧化物因其低成本、大規(guī)模制備能力和多樣化的功能特性，為這一挑戰(zhàn)提供了潛在的解決方案。

針對上述問題，由北京大學、中國科學院物理研究所、太原理工大學、延世大學等組成的研究團隊利用澤攸科技EBL電子束光刻機進行了深入研究，他們共同探索了通過濕化學方法制備可轉(zhuǎn)移的高介電常數(shù)（high-k）非晶金屬氧化物介質(zhì)材料，并成功將其應用于二維電子器件中。相關(guān)成果以《Transferrable, wet-chemistry-derived high-k amorphous metal oxide dielectrics for two-dimensional electronic devices》為題發(fā)表在《nature communications》期刊上，原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56815-9  

論文的主要研究內(nèi)容圍繞一種濕化學方法制備的可轉(zhuǎn)移高介電常數(shù)（high-k）非晶金屬氧化物——銅鈣鈦礦氧化物（CCTO）展開。研究團隊通過佩欽尼（Pechini）法合成CCTO薄膜，這種方法利用檸檬酸螯合金屬陽離子并結(jié)合乙二醇引發(fā)聚合反應，從而在原子尺度上實現(xiàn)均勻混合。合成后的CCTO薄膜具有優(yōu)異的介電性能和可轉(zhuǎn)移性，能夠與二維（2D）材料無縫集成，形成高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這一技術(shù)突破解決了傳統(tǒng)沉積方法在2D材料上面臨的界面質(zhì)量問題，同時避免了高溫制備對器件性能的影響。

圖 （a）CCTO薄膜的制備與轉(zhuǎn)移過程、（b）光學圖像、（c）表面形貌與高度分布、（d）拉曼光譜分析、（e）CCTO/MoS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖和STEM表征

研究進一步探討了CCTO薄膜的電學特性及其在2D電子器件中的應用潛力。通過金屬-絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)測量，研究發(fā)現(xiàn)CCTO薄膜的介電常數(shù)高達42.9，表現(xiàn)出顯著的高-k特性。此外，CCTO薄膜在轉(zhuǎn)移到金（Au）基底或石墨烯等2D材料上后，其介電性能保持穩(wěn)定，證明了轉(zhuǎn)移過程不會對其性能造成明顯退化。實驗還驗證了CCTO薄膜作為頂柵介質(zhì)在雙柵石墨烯場效應晶體管（FET）中的實用性，其等效氧化物厚度（EOT）僅為0.9 nm，遠低于傳統(tǒng)高-k介質(zhì)的水平。

圖 （a, b）CCTO薄膜在MIM器件中的C-V特性、（c）介電常數(shù)隨退火溫度的變化及其頻率依賴性、（d, e）作為頂柵介質(zhì)時單層石墨烯FET的轉(zhuǎn)移特性與狄拉克點電壓分析，（f）三種雙柵晶體管的頂柵漏電流統(tǒng)計

更重要的是，CCTO薄膜不僅具備優(yōu)異的介電性能，還展現(xiàn)了多功能特性。研究團隊利用CCTO的光學活性特性，在簡單的FET器件中實現(xiàn)了光寫電擦的浮柵操作，為邏輯運算與傳感器內(nèi)計算提供了一種新型解決方案。這種基于CCTO的多功能器件能夠在單一架構(gòu)中執(zhí)行多達9種基本布爾邏輯運算，展示了其在低功耗、多功能2D電子系統(tǒng)中的巨大潛力?？傮w而言，這項研究不僅提出了一種新型的高-k介質(zhì)材料制備方法，還為未來高性能、多功能2D電子器件的發(fā)展開辟了新途徑。

圖 （a）CCTO介電層 gated MoS?器件在光刺激下的光電響應特性、（b）非易失性光記憶行為、（c）光激活浮柵機制、（d）光/電調(diào)制浮柵水平的原理、（e）光寫電擦操作的循環(huán)演示，（f）基于該器件實現(xiàn)的邏輯運算功能，包括AND操作、（g, h）OR門的真值表與實驗驗證

澤攸科技ZEL304G電子束光刻機（EBL）是一款高性能、高精度的光刻設備，專為半導體晶圓的高速、高分辨率光刻需求設計。該系統(tǒng)采用先進的場發(fā)射電子槍，結(jié)合一體化的高速圖形發(fā)生系統(tǒng)，確保光刻質(zhì)量優(yōu)異且效率高。標配的高精度激光干涉樣品臺能夠滿足大行程高精度拼接和套刻需求，為復雜實驗和生產(chǎn)任務提供可靠支持。其核心優(yōu)勢在于成像能力和靈活的掃描模式，可實現(xiàn)多種矢量掃描方式，包括順序掃描、循環(huán)掃描和螺旋型掃描，同時支持多圖層自動曝光與場校準功能，滿足多樣化的工藝要求。此外，設備兼容多種圖形文件格式，并可通過選配附件（如UPS不間斷電源和主動減震臺）進一步提升運行穩(wěn)定性。無論是新材料研究、前沿物理探索，還是半導體、微電子、光子學及量子技術(shù)領域的應用，ZEL304G均表現(xiàn)非常好，是科研與工程領域的理想選擇。

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