每個人都想擁有“充電五分鐘，通話兩小時”的理想手機。而這個簡單的“理想”卻代表著對電子產品中半導體材料和器件性能的追求。手機里芯片快速數據運算過程和電池能量存儲過程都發(fā)生在只有頭發(fā)絲直徑萬分之一的納米尺度下，而這些過程會影響到產品的工作穩(wěn)定性和服役壽命。

　　近年來，圍繞這一前沿基礎科學問題，北京科技大學材料科學與工程學院教授、中國科學院院士張躍團隊在國家重大科研儀器研制項目(自由申請)的支持下，開展了“納尺度多場耦合效應的原位表征系統(tǒng)”研制工作。

　　日前，項目順利通過結題驗收，該儀器的成功研制，將實現對半導體材料在服役過程中各項指標的原位監(jiān)測。研制過程中，科學家率先實現了在超高真空、極低溫、多波段光譜入射采集、納牛級應力精確加載等條件下，材料微觀原子結構、界面能帶結構、器件電學性能的跨尺度原位表征。

　　過去幾十年來，研究者已經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)測其服役過程中的各項指標，從而對材料的服役可靠性進行精準判斷。

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

　　與此同時，國家未來發(fā)展對于下一代半導體材料與器件也有重大現實需求。在這樣的背景下，研究團隊決定自主研制一臺新儀器，以在納尺度多場耦合效應下進行半導體材料和器件性能調控與服役行為原位科學研究。

　　2016年，在國家自然科學基金資助下，國家重大科研儀器研制項目(自由申請)“納尺度多場耦合效應的原位表征系統(tǒng)”正式立項。研制這一新儀器的難點在于，通過多物理場耦合模擬半導體材料和器件的實際工作條件，從納尺度原位揭示半導體材料與器件界面載流子輸運行為與調控規(guī)律。同時，通過材料結構和界面的精細設計，提高半導體器件性能，設計構筑低功耗、高性能的半導體器件，研究建立納尺度下半導體材料與器件的服役行為研究方法與評價標準。

　　面向未來，研究團隊表示，目前的設備僅是1.0版本，在調試和使用的過程中，設備從系統(tǒng)、軟件、硬件等多方面將不斷簡化、優(yōu)化，經過幾年時間的調試，有望達到成果轉化需求。該設備能為研制低功耗晶體管、高效率光電轉換器件、自驅動可穿戴人工智能傳感器件等提供技術支撐。