圖1 各類電子和光電子器件（圖片來源于網絡）
近日，中國科學院上海技術物理研究所科研人員研發(fā)出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(huán)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)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，如存儲器、光探測器、光伏電池等。
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(fā)展這類存儲技術很有意義，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(fā)生改變，導致其發(fā)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(qū)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(fā)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(tài)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
該研究由上海技物所與復旦大學、華東師范大學、南京大學，中科院微電子研究所等課題組合作完成。1月24日，研究成果以Programmable transition metal dichalcogenide homojunctions controlled by nonvolatile ferroelectric domains為題，發(fā)表在《自然-電子學》上。
