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張躍院士（中）、張錚教授（左）與項(xiàng)目組成員在工作中。

■本報(bào)記者 甘曉

每個(gè)人都想擁有“充電五分鐘，通話兩小時(shí)”的理想手機(jī)。而這個(gè)簡(jiǎn)單的“理想”卻代表著對(duì)電子產(chǎn)品中半導(dǎo)體材料和器件性能的極致追求。手機(jī)里芯片快速數(shù)據(jù)運(yùn)算過程和電池能量存儲(chǔ)過程都發(fā)生在只有頭發(fā)絲直徑萬分之一的納米尺度下，而這些過程會(huì)影響到產(chǎn)品的工作穩(wěn)定性和服役壽命。

研制高效綠色能源器件和低功耗信息功能器件，亟待從納米尺度深入研究和理解材料結(jié)構(gòu)與器件性能之間的構(gòu)效關(guān)系，闡明納尺度多場(chǎng)耦合條件下材料的性能退化與損傷機(jī)理、器件的功能退化與失效機(jī)理。

近年來，圍繞這一前沿基礎(chǔ)科學(xué)問題，北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、中國(guó)科學(xué)院院士張躍團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目（自由申請(qǐng)）的支持下，開展了“納尺度多場(chǎng)耦合效應(yīng)的原位表征系統(tǒng)”研制工作。

日前，項(xiàng)目順利通過結(jié)題驗(yàn)收，該儀器的成功研制，將實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體材料在服役過程中各項(xiàng)指標(biāo)的原位監(jiān)測(cè)。研制過程中，科學(xué)家率先實(shí)現(xiàn)了在超高真空、極低溫、多波段光譜入射采集、納牛級(jí)應(yīng)力精確加載等條件下，材料微觀原子結(jié)構(gòu)、界面能帶結(jié)構(gòu)、器件電學(xué)性能的跨尺度原位表征，填補(bǔ)了納尺度多場(chǎng)耦合原位表征技術(shù)的空白。

以國(guó)家需求為牽引

在材料科學(xué)領(lǐng)域，材料的服役行為研究并不陌生，包括澄清服役環(huán)境中材料的損傷機(jī)理、認(rèn)識(shí)其損傷動(dòng)力學(xué)過程、評(píng)價(jià)工程結(jié)構(gòu)的安全性與服役壽命、發(fā)展延長(zhǎng)壽命的技術(shù)等。

過去幾十年來，研究者已經(jīng)在金屬材料體系中建立起成熟的材料服役研究和表征方法，監(jiān)測(cè)其服役過程中的各項(xiàng)指標(biāo)，從而對(duì)材料的服役可靠性進(jìn)行精準(zhǔn)判斷。

但是，針對(duì)半導(dǎo)體材料服役行為的研究卻面臨較大挑戰(zhàn)。據(jù)研究人員介紹，一方面，隨著芯片集成度提升，半導(dǎo)體器件中材料越來越小，如今單個(gè)晶體管核心結(jié)構(gòu)單元的尺寸小于10納米；另一方面，隨著可穿戴設(shè)備和便攜設(shè)備的發(fā)展，半導(dǎo)體材料與器件的工作環(huán)境越來越復(fù)雜，冷熱交替、潮濕、彎折與柔性等環(huán)境都對(duì)材料和器件有了更加嚴(yán)苛的要求。他們意識(shí)到，建立能在多場(chǎng)耦合服役條件下針對(duì)低維半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)和性能演變規(guī)律進(jìn)行原位研究的方法與技術(shù)手段，對(duì)研制下一代半導(dǎo)體材料與器件尤為重要。

與此同時(shí)，國(guó)家未來發(fā)展對(duì)于下一代半導(dǎo)體材料與器件也有重大現(xiàn)實(shí)需求。在這樣的背景下，研究團(tuán)隊(duì)決定自主研制一臺(tái)新儀器，以在納尺度多場(chǎng)耦合效應(yīng)下進(jìn)行半導(dǎo)體材料和器件性能調(diào)控與服役行為原位科學(xué)研究。

2016年，在國(guó)家自然科學(xué)基金資助下，國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目（自由申請(qǐng)）“納尺度多場(chǎng)耦合效應(yīng)的原位表征系統(tǒng)”正式立項(xiàng)。

研究人員向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，研制這一新儀器的難點(diǎn)在于，通過多物理場(chǎng)耦合模擬半導(dǎo)體材料和器件的實(shí)際工作條件，從納尺度原位揭示半導(dǎo)體材料與器件界面載流子輸運(yùn)行為與調(diào)控規(guī)律。同時(shí)，通過材料結(jié)構(gòu)和界面的精細(xì)設(shè)計(jì)，提高半導(dǎo)體器件性能，設(shè)計(jì)構(gòu)筑低功耗、高性能的半導(dǎo)體器件，研究建立納尺度下半導(dǎo)體材料與器件的服役行為研究方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

“研以致用”的實(shí)踐精神

項(xiàng)目執(zhí)行的5年中，研究團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持設(shè)計(jì)、制造、研究、驗(yàn)證協(xié)同的全鏈條研究思想，直面建立微納尺度結(jié)構(gòu)與宏觀器件性能之間的關(guān)聯(lián)性這一重大挑戰(zhàn)，陸續(xù)攻克和解決了多項(xiàng)關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)難題。

據(jù)了解，科研團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持“研以致用”的工作作風(fēng)，以應(yīng)用為導(dǎo)向開展科學(xué)研究。

“材料研究不能僅僅停留在‘測(cè)一條曲線’上，堅(jiān)持往前多想一步、爭(zhēng)取多做一步，是我們團(tuán)隊(duì)多年養(yǎng)成的研究習(xí)慣?！表?xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員、北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授廖慶亮介紹說。

正是在“多一步”思想的指引下，研究團(tuán)隊(duì)周密布局、仔細(xì)論證、充分驗(yàn)證，把每一分錢都花在刀刃上。項(xiàng)目啟動(dòng)之初，研究團(tuán)隊(duì)就組建了由業(yè)內(nèi)頂尖專家組成的咨詢組，嚴(yán)格把關(guān)項(xiàng)目進(jìn)度和研制方案。

同時(shí)，他們走訪了30多家國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)表征儀器設(shè)備的企業(yè)和機(jī)構(gòu)，尋求從科學(xué)研究到實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，充分發(fā)揮現(xiàn)有研究平臺(tái)的作用，遵循模塊化設(shè)計(jì)理念，分模塊、分功能逐一驗(yàn)證，陸續(xù)研制了多臺(tái)套功能驗(yàn)證裝置，逐個(gè)測(cè)試了裝置和功能的可行性、驗(yàn)證方案的合理性，最終經(jīng)過多輪論證，形成了系統(tǒng)的研究方案。

具體而言，根據(jù)這套設(shè)備的目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了超高真空低溫探針、共聚焦激光耦合、設(shè)備監(jiān)控與信號(hào)測(cè)量等三個(gè)子系統(tǒng)。

其中，“超高真空多功能低溫探針”“多通道樣品臺(tái)和多功能探針聯(lián)動(dòng)耦合系統(tǒng)”“下沉式杜瓦和針閥制冷系統(tǒng)”“三段調(diào)節(jié)的共聚焦耦合光路”等多項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先的“黑科技”，把各項(xiàng)指標(biāo)做到了極限。

“設(shè)備的真空水平實(shí)現(xiàn)了10-8Pa的超高真空，溫度達(dá)到4K的極低溫環(huán)境，可以模擬太空中地月之間的真空和溫度水平，為開展空天探測(cè)用半導(dǎo)體材料與器件研究提供了良好的研究平臺(tái)?！表?xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員、北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張錚介紹。

此外，該團(tuán)隊(duì)還格外注重設(shè)備研制的通用性。據(jù)了解，這套系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用于能源、電子、傳感等領(lǐng)域的功能器件在多場(chǎng)耦合條件下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元的演變規(guī)律和性能調(diào)控方法的研究。

用“工匠精神”死磕

“要做世界領(lǐng)先、功能完備、性能最優(yōu)先的設(shè)備，而不僅僅是完成指標(biāo)要求?！表?xiàng)目啟動(dòng)之初，團(tuán)隊(duì)就立下了“軍令狀”。

為了讓先進(jìn)的科研儀器能夠真正用起來，研究團(tuán)隊(duì)除了要提出原創(chuàng)的科學(xué)思想外，還要直面許多工程和技術(shù)難題。為此，他們?cè)诳山梃b經(jīng)驗(yàn)較少的情況下，以兢兢業(yè)業(yè)的“工匠精神”“死磕”這些難題。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員、北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授康卓介紹，要表征電子輸運(yùn)行為如何受到外加物理場(chǎng)耦合的影響，必須同時(shí)布局力、熱、光、電等多個(gè)外加物理場(chǎng)的發(fā)生裝置及相應(yīng)的表征與測(cè)量裝置。而在狹小空間中，多個(gè)裝置互相干擾問題、光路與探針的空間分配問題、超高真空中裝置穩(wěn)定與兼容問題等是最大挑戰(zhàn)。為此，項(xiàng)目組通過設(shè)計(jì)下沉式的制冷裝置、多通道樣品臺(tái)和多功能探針系統(tǒng)，巧妙地解決了多路信號(hào)同時(shí)采集的問題。

擺在項(xiàng)目組面前的另一個(gè)重大挑戰(zhàn)是光路的耦合問題。在對(duì)材料進(jìn)行光學(xué)表征時(shí)，需要將一束激光打到材料表面，讓其發(fā)生變化，然后形成反射光。從科學(xué)原理上，要求這兩束光走一條嚴(yán)格準(zhǔn)直的光路，最終從激光源發(fā)出、經(jīng)樣品反射、到達(dá)探測(cè)器上，才能實(shí)現(xiàn)表征。

“對(duì)于我們的設(shè)備而言，在被檢測(cè)材料所處的環(huán)境中，一束激光需要穿過10個(gè)反射鏡組成的光路調(diào)節(jié)鏡組、1個(gè)直徑為1.5厘米的石英玻璃窗口、3個(gè)垂直排列的直徑小于1厘米的屏蔽艙頂蓋，最后準(zhǔn)確抵達(dá)直徑為0.5厘米的物鏡后焦面光心，整個(gè)光路距離將近1米。在這個(gè)距離實(shí)現(xiàn)兩束激光的準(zhǔn)直，就好像一個(gè)神槍手在打靶，光路每偏轉(zhuǎn)0.1度都會(huì)導(dǎo)致入射和反射光出現(xiàn)巨大偏差?！笨底拷榻B說。

為了解決這一問題，項(xiàng)目組前后設(shè)計(jì)了十余套解決方案，從全手動(dòng)目視調(diào)節(jié)到成像輔助調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)了水平自由度的精確位置控制平臺(tái)，建立了分步調(diào)節(jié)方法，最終完美解決了光路耦合的重大問題。

2020年項(xiàng)目接近尾聲，突遇新冠疫情襲來，研制進(jìn)度受到了嚴(yán)重影響。為了趕工期，研究團(tuán)隊(duì)的老師和學(xué)生們加班加點(diǎn)?！霸缟弦淮笤缇蛠砀O(shè)備‘報(bào)到’，晚上深更半夜才回家睡個(gè)覺，基本上日夜都和設(shè)備呆在一起?！睆堝P和同事開玩笑，“這臺(tái)設(shè)備就是我的‘孩子’?！?/p>

在研究團(tuán)隊(duì)的共同努力下，該設(shè)備最終按期完成任務(wù)指標(biāo)要求。在2021年5月國(guó)家自然科學(xué)基金委工程與材料科學(xué)部組織的結(jié)題驗(yàn)收中，專家組一致認(rèn)為該項(xiàng)目“全面完成計(jì)劃，研究工作取得突出進(jìn)展”，綜合評(píng)價(jià)為“優(yōu)秀”。

面向未來，研究團(tuán)隊(duì)表示，目前的設(shè)備僅是1.0版本，在調(diào)試和使用的過程中，設(shè)備從系統(tǒng)、軟件、硬件等多方面將不斷簡(jiǎn)化、優(yōu)化，經(jīng)過幾年時(shí)間的調(diào)試，有望達(dá)到成果轉(zhuǎn)化需求。

他們期待，該設(shè)備能為研制低功耗晶體管、高效率光電轉(zhuǎn)換器件、自驅(qū)動(dòng)可穿戴人工智能傳感器件等提供技術(shù)支撐。