【消費(fèi)電子實(shí)驗(yàn)室-2020/12/28】自然界中有 10 萬種材料，其中約 5000 種是層狀材料。如果將它兩兩組合或者三三組合，那么可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 100 萬種，其物理性質(zhì)也大有不同。

 

“納米積木”（原子層范德華納米材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)），就是把不同的層狀材料的單層或少層分離出來，像搭積木一樣，通過堆疊、旋轉(zhuǎn)等方式，設(shè)計(jì)特定的形狀或結(jié)構(gòu)，形成一個自然界中不存在的 “人造晶體”。

山西大學(xué)光電研究所韓拯就是玩轉(zhuǎn) “納米積木” 的一位年輕教授，他通過設(shè)計(jì)特殊的結(jié)構(gòu)，借用傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的范例，在微納米尺度新型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，展示了二維層狀材料垂直組裝電子器件的諸多新奇物理現(xiàn)象。

韓拯和合作者首次利用二維原子晶體替代硅基場效應(yīng)鰭式晶體管的道溝材料，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模演示了目前世界上溝道寬度最小的鰭式場效應(yīng)晶體管，將溝道材料寬度減小至 0.6 納米。同時，獲得了最小間距為 50 納米的單原子層溝道鰭片陣列。

此外，他帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道的二維本征鐵磁半導(dǎo)體自旋場效應(yīng)器件，為繼續(xù)尋找室溫本征二維鐵磁半導(dǎo)體提供了指導(dǎo)意義。

圖 | 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國區(qū)榜單入選者韓拯

憑借上述研究成果，韓拯成功入選 “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”（Innovators Under 35）2020 年中國區(qū)榜單，獲獎理由為用二維功能材料制造新型的納米電子器件，以新型的原子層次制造路線突破半導(dǎo)體工藝，為后摩爾時代晶體管工藝尋找新方案。

鉛筆芯的主要成分是石墨，是典型的范德華材料。由于石墨中碳原子層與層之間的范德華結(jié)合力較弱，在紙上寫字過程當(dāng)中筆尖上“蹭”下來的二維碳納米片，就成為了宏觀下人們看到的字跡。直到 2000 年左右，英國曼徹斯特科學(xué)家安德烈・海姆（Andre Geim，AG）和康斯坦丁・諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）首次把石墨的單原子層（約 0.3nm 厚）分離了出來，并因此獲得了 2010 年諾貝爾物理學(xué)獎。

圖 | 堆疊的納米積木

韓拯以此為靈感，對物理、材料工程、微觀世界等科學(xué)領(lǐng)域愈發(fā)好奇，這也跟他的成長經(jīng)歷息息相關(guān)。

韓拯是江蘇人，本科考入吉林大學(xué)物理學(xué)院，開始核物理專業(yè)學(xué)習(xí)。之后考入中國科學(xué)院金屬研究所材料學(xué)碩士專業(yè)。2010 年，他在法國國家科學(xué)中心 CNRS 下屬的 NEEL 研究所攻讀納米電子學(xué)與納米科技博士學(xué)位。其導(dǎo)師對于他的評價是：“年輕躁動、充滿創(chuàng)新活力。”

之后他作為博士后，在美國哥倫比亞大學(xué)物理系，從事范德華人工異質(zhì)結(jié)構(gòu)的維納器件量子霍爾效應(yīng)和電子光學(xué)等物理性能研究。

“隨著對自身行業(yè)的不斷深入了解和研究，漸漸地進(jìn)入了角色，也愛上了科研。” 韓拯告訴 DeepTech。

期間，他作為共同第一作者，完成了二維彈道輸運(yùn)電子在 pn 結(jié)界面的負(fù)折射工作，為實(shí)現(xiàn)新的電子開關(guān)創(chuàng)造了基礎(chǔ)，被 Physics World 雜志評為 2016 年度十大物理學(xué)突破之一。

在 2015 年 9 月，而立之年的韓拯決定回國，之后一直在中國科學(xué)院金屬研究所開展新型人工納米器件的量子輸運(yùn)調(diào)控研究。

對于他而言，在研究當(dāng)中最享受和最開心的事莫過于，本來一個不太明白的事，不斷地通過數(shù)據(jù)積累與同行討論之后把它弄明白。

之后，韓拯團(tuán)隊(duì)以少數(shù)層二硫化鉬為研究體系，利用超薄（少數(shù)原子層）的六方氮化硼（h-BN）作為范德華異質(zhì)結(jié)的隧穿層，系統(tǒng)開展了隧穿晶體管器件研究。

圖 | 硫化鉬隧穿晶體管光學(xué)照片（比例尺 5 微米）、多工作組態(tài)整流效應(yīng)、以及垂直方面切面圖

通過在金屬和半導(dǎo)體 MoS2 界面之間引入隧穿層 h-BN，可有效降低界面處的肖特基勢壘，從而實(shí)現(xiàn)通過局域柵電極對通道 MoS2 費(fèi)米能級的精確靜電調(diào)控。所獲得的 MoS2 隧穿晶體管僅通過門電壓調(diào)控，即可實(shí)現(xiàn)具有不同功能的整流器件，包括 pn 二極管、全關(guān)、np 二極管、全開器件。

這項(xiàng)工作首次將雙向可調(diào)的二極管和場效應(yīng)管集成到單個納米器件中，為未來超薄輕量化、柔性多工作組態(tài)的納米器件提供了研究思路。

之所以選擇納米新材料這個方向，除了自身專業(yè)背景之外，更重要的是韓拯對科學(xué)一直抱有好奇心。

性半導(dǎo)體器件有望將信息存儲和邏輯運(yùn)算機(jī)集成為一個單元，實(shí)現(xiàn)存算一體以提高計(jì)算機(jī)的性能。該研究領(lǐng)域也一直被高度關(guān)注，《科學(xué)》雜志也曾將室溫磁性半導(dǎo)體列為 125 項(xiàng)重大科學(xué)問題之一。

對此，韓拯表示：“硬盤的讀寫速率速度越來越跟不上 CPU 的運(yùn)行速度，如果能把它倆合到一起去做存算一體，可以提高計(jì)算機(jī)的性能。最直接的方法就是把硅半導(dǎo)體與磁復(fù)合到一起，變成一個磁性半導(dǎo)體。”

韓拯團(tuán)隊(duì)采用惰性氣氛下原子層厚度的垂直組裝，發(fā)現(xiàn) 3.5nm 厚的 Cr2Ge2Te6 材料在鐵磁居里溫度以下能夠保持優(yōu)秀的載流子導(dǎo)通性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電子與空穴的雙極場效應(yīng)。該型納米器件在門電壓調(diào)控下，磁性亦能得到有效調(diào)控，并且與電輸運(yùn)相仿，存在雙極門電壓可調(diào)特性。

圖 | 二維鐵磁半導(dǎo)體中自旋與電荷的雙極可調(diào)特性

“磁性的來源是電子自旋和自旋之間的相互作用。目前，人們發(fā)現(xiàn)的室溫鐵磁性基本上要么在金屬當(dāng)中，要么在絕緣體當(dāng)中，半導(dǎo)體的磁性很難維持到室溫。科學(xué)家們一直在積極研究尋找室溫下堪用的磁性半導(dǎo)體。” 韓拯告訴 DeepTech。

少數(shù)層 Cr2Ge2Te6 是目前已知的首個擁有內(nèi)稟自旋和電荷態(tài)密度雙重雙極可調(diào)特性的二維納米電子材料，這為繼續(xù)尋找室溫本征二維鐵磁半導(dǎo)體提供了一定的指導(dǎo)意義。

例如，來自新加坡國立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在該研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)了離子摻雜膠的載流子濃度，將少數(shù)層 Cr2Ge2Te6 的鐵磁居里溫度增強(qiáng)了 4 倍，達(dá)到 250K（零下 25 攝氏度）溫度。

除此之外，韓拯與合作者首次針對具有巨大面內(nèi)電導(dǎo)率各向異性的二維材料碲化鎵，通過垂直電場實(shí)現(xiàn)了對該各向異性電阻率比值的調(diào)控，從 10 倍調(diào)控至高達(dá) 5000 倍，該數(shù)值為目前已知二維材料領(lǐng)域里報(bào)道的最高記錄。

這意味著發(fā)現(xiàn)了電子世界的 “交通新規(guī)”：在晶格傳輸過程中，受外電場的影響，電子的導(dǎo)電特性沿著不同方向表現(xiàn)出了一定的差異。

也就是說，如果將電子傳輸通道比喻成兩條垂直的繁華街道。當(dāng)沒有電場時，一條是另一條通過率的 10 倍左右。一旦施加一定強(qiáng)度的外電場，這兩條 “車道” 上的電子通過率差別可高達(dá) 5000 倍。

站在科幻角度來描述，這種材料可以制作成為一種新型各向異性存儲器，當(dāng)該存儲器中一次性寫入的數(shù)據(jù)，沿其中一個方向讀取出來的是一本小說，而沿另一個方向讀取出來的，則是一部電影。

圖 | 電場可調(diào)的二維碲化鎵中電子輸運(yùn)的“新交規(guī)”假想圖

發(fā)現(xiàn)的二維極限 GaTe 納米電子器件展示出了門電壓可調(diào)的、面內(nèi)巨各向異性電阻效應(yīng)（Giant Anisotropic Resistance），為實(shí)現(xiàn)新型各向異性邏輯運(yùn)算、存儲單元、以及神經(jīng)元模擬器件等提供了可能。

之后，韓拯與合作者湖南大學(xué)劉松教授、金屬研究所孫東明教授等人，首次提出了利用二維原子晶體替代硅基場效應(yīng)晶體管 FinFET 的 fin 的溝道材料，通過模板生長結(jié)合多步刻蝕的方法，制備出了目前世界上溝道寬度最小的（0.6nm）鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET），也是目前世界上最薄的鰭式晶體管。

圖 | 單原子層溝道的鰭式場效應(yīng)晶體管與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比示意圖

FinFET 是一種為了解決由于進(jìn)一步集成化需求，硅基平面場效應(yīng)晶體管的尺寸被進(jìn)一步縮小所引起的短溝道效應(yīng)等問題，采用將溝道和柵極制備成 3D 豎直形態(tài)的鰭（fin）式晶體管。然而，受限于目前微納加工的精度，報(bào)道的硅基 FinFET 溝道寬度最小約為 5nm。

該團(tuán)隊(duì)采用自下而上 Bottom-up 的濕法化學(xué)沉積，在高度數(shù)百納米臺階狀的模板犧牲層上連續(xù)保形生長單層二維原子晶體半導(dǎo)體，最終將 FinFET 的溝道材料寬度縮小至單原子層極限的亞納米尺度（0.6 nm），幾乎達(dá)到物理極限。

同時，采用多重刻蝕等微納加工工藝，基于此制備演示了最小間距為 50 nm 的單原子層溝道鰭片陣列，為后摩爾時代的場效應(yīng)晶體管器件的發(fā)展提供了新方案。

在工業(yè)界，尤其在半導(dǎo)體工業(yè)，大家都希望芯片的尺度越來越小，性能越來越高。FinFET可以把平面通道變成站立通道，這樣就節(jié)約了大量的空間，如此一次就能在更小的面積里，儲存更多的芯片或運(yùn)算單元。

簡單來講，韓拯其主要研究的是功能材料在尺寸非常非常小的時候，有哪些有趣的物理性質(zhì)和新奇的物理行為，并進(jìn)一步利用這些有趣的物理現(xiàn)象，來組裝制造成納米尺度下的低功耗、多功能、智能化的小型電子器件。

事實(shí)上，一些范德華材料已經(jīng)在例如透明柔性電子、能源催化等諸多性能方面超越了傳統(tǒng)材料，具有誘人的發(fā)展前景。

“團(tuán)隊(duì)目前雖然以基礎(chǔ)研究為主，但也正在逐漸努力從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用，我們需要進(jìn)一步在原始創(chuàng)新以及與應(yīng)用研究交叉結(jié)合等方面多下功夫”。如何實(shí)現(xiàn)從零到一的創(chuàng)造發(fā)明，并不斷加強(qiáng)研究的深度，將是韓拯團(tuán)隊(duì)后續(xù)工作中的首要目標(biāo)。

“我們知道這很難，但是仍然要努力學(xué)習(xí)做一名孤獨(dú)的研究者，一方面，是靜下心來鉆研的孤獨(dú)，另一方面，則是在創(chuàng)新創(chuàng)造上獨(dú)樹一幟。” 韓拯告訴 DeepTech。

在下一階段，韓拯表示將繼續(xù)深耕納米積木領(lǐng)域，專注在新原理、新結(jié)構(gòu)、新制造方式等科學(xué)目標(biāo)。用自下而上、原子層次制造的路線，與目前主流的自上而下半導(dǎo)體工藝相結(jié)合，從而展現(xiàn)更多的可能性。

相信在摩爾定律行將失效不久的將來，小尺寸的突破口，一定出現(xiàn)在納米制造領(lǐng)域，例如自組裝、生物模版、原子層次 3D 打印等等。