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)簡單的“理想”卻代表著對電子產(chǎn)品中半導(dǎo)體材料和器件性能的追求。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。

　　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、中國科學(xué)院院士張躍團(tuán)隊(duì)在國家重大科研儀器研制項(xiàng)目(自由申請)的支持下，開展了“納尺度多場耦合效應(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)對半導(dǎo)體材料在服役過程中各項(xiàng)指標(biāo)的原位監(jiān)測。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。

　　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)測其服役過程中的各項(xiàng)指標(biāo)，從而對材料的服役可靠性進(jìn)行精準(zhǔn)判斷。

　　但是，針對半導(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，建立能在多場耦合服役條件下針對低維半導(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，對研制下一代半導(dǎo)體材料與器件尤為重要。

　　與此同時(shí)，國家未來發(fā)展對于下一代半導(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，在國家自然科學(xué)基金資助下，國家重大科研儀器研制項(xiàng)目(自由申請)“納尺度多場耦合效應(yīng)的原位表征系統(tǒng)”正式立項(xiàng)。研制這一新儀器的難點(diǎn)在于，通過多物理場耦合模擬半導(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價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

　　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。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。