二維（2D）材料，例如過渡金屬二硫?qū)倩铮═MDs），因其獨(dú)特的特性在下一代電子器件中展現(xiàn)出巨大的潛力。這些特性包括原子尺度的厚度，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的靜電控制，以及無懸鍵的表面和范德華力（vdW）相互作用，使得它們成為解決硅基集成電路面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)（如尺寸縮小、熱管理和存儲墻問題）的理想候選者。通過利用2D半導(dǎo)體的特性，場效應(yīng)晶體管（FETs）和存儲器件的性能可以得到顯著提升。此外，基于2D材料的感知、存儲與計(jì)算一體化技術(shù)已經(jīng)取得了巨大成功，為圖像和聲學(xué)模式識別與處理等應(yīng)用提供了傳感器內(nèi)/存儲器內(nèi)計(jì)算的可能性。然而，盡管2D材料具有諸多優(yōu)勢，但其vdW表面也帶來了關(guān)鍵挑戰(zhàn)：如何將高質(zhì)量的高介電常數(shù)（high-k）介質(zhì)與2D半導(dǎo)體集成，如同硅技術(shù)中所實(shí)現(xiàn)的一樣。傳統(tǒng)的非晶高-k介質(zhì)，如鉿氧化物（HfO2）和鋁氧化物（Al2O3），由于2D材料表面缺乏懸鍵，在直接沉積過程中會出現(xiàn)較差的成核現(xiàn)象，導(dǎo)致界面質(zhì)量不佳，表現(xiàn)為缺陷增加和對TMD層的不期望摻雜。因此，通常需要先沉積緩沖層或種子層來改善ALD工藝的效果。另一方面，轉(zhuǎn)移技術(shù)雖然可以分離介質(zhì)的制備與集成過程，從而降低對合成溫度的要求，但也要求介質(zhì)具備可轉(zhuǎn)移性。例如，單晶鈣鈦礦SrTiO3可以通過脈沖激光沉積制備，并作為獨(dú)立薄片轉(zhuǎn)移到TMD器件中。然而，這種方法受限于材料種類和功能的局限性，尤其是在需要多功能介質(zhì)的情況下。因此，探索一種能夠兼容2D技術(shù)、支持轉(zhuǎn)移并與vdW材料形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型介質(zhì)解決方案顯得尤為重要。液相化學(xué)法制備的金屬氧化物因其低成本、大規(guī)模制備能力和多樣化的功能特性，為這一挑戰(zhàn)提供了潛在的解決方案。

針對上述問題，由北京大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、太原理工大學(xué)、延世大學(xué)等組成的研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技EBL電子束光刻機(jī)進(jìn)行了深入研究，他們共同探索了通過濕化學(xué)方法制備可轉(zhuǎn)移的高介電常數(shù)（high-k）非晶金屬氧化物介質(zhì)材料，并成功將其應(yīng)用于二維電子器件中。相關(guān)成果以《Transferrable, wet-chemistry-derived high-k amorphous metal oxide dielectrics for two-dimensional electronic devices》為題發(fā)表在《nature communications》期刊上，原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56815-9  

論文的主要研究內(nèi)容圍繞一種濕化學(xué)方法制備的可轉(zhuǎn)移高介電常數(shù)（high-k）非晶金屬氧化物——銅鈣鈦礦氧化物（CCTO）展開。研究團(tuán)隊(duì)通過佩欽尼（Pechini）法合成CCTO薄膜，這種方法利用檸檬酸螯合金屬陽離子并結(jié)合乙二醇引發(fā)聚合反應(yīng)，從而在原子尺度上實(shí)現(xiàn)均勻混合。合成后的CCTO薄膜具有優(yōu)異的介電性能和可轉(zhuǎn)移性，能夠與二維（2D）材料無縫集成，形成高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這一技術(shù)突破解決了傳統(tǒng)沉積方法在2D材料上面臨的界面質(zhì)量問題，同時(shí)避免了高溫制備對器件性能的影響。

圖 （a）CCTO薄膜的制備與轉(zhuǎn)移過程、（b）光學(xué)圖像、（c）表面形貌與高度分布、（d）拉曼光譜分析、（e）CCTO/MoS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖和STEM表征

研究進(jìn)一步探討了CCTO薄膜的電學(xué)特性及其在2D電子器件中的應(yīng)用潛力。通過金屬-絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)測量，研究發(fā)現(xiàn)CCTO薄膜的介電常數(shù)高達(dá)42.9，表現(xiàn)出顯著的高-k特性。此外，CCTO薄膜在轉(zhuǎn)移到金（Au）基底或石墨烯等2D材料上后，其介電性能保持穩(wěn)定，證明了轉(zhuǎn)移過程不會對其性能造成明顯退化。實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了CCTO薄膜作為頂柵介質(zhì)在雙柵石墨烯場效應(yīng)晶體管（FET）中的實(shí)用性，其等效氧化物厚度（EOT）僅為0.9 nm，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)高-k介質(zhì)的水平。

圖 （a, b）CCTO薄膜在MIM器件中的C-V特性、（c）介電常數(shù)隨退火溫度的變化及其頻率依賴性、（d, e）作為頂柵介質(zhì)時(shí)單層石墨烯FET的轉(zhuǎn)移特性與狄拉克點(diǎn)電壓分析，（f）三種雙柵晶體管的頂柵漏電流統(tǒng)計(jì)

更重要的是，CCTO薄膜不僅具備優(yōu)異的介電性能，還展現(xiàn)了多功能特性。研究團(tuán)隊(duì)利用CCTO的光學(xué)活性特性，在簡單的FET器件中實(shí)現(xiàn)了光寫電擦的浮柵操作，為邏輯運(yùn)算與傳感器內(nèi)計(jì)算提供了一種新型解決方案。這種基于CCTO的多功能器件能夠在單一架構(gòu)中執(zhí)行多達(dá)9種基本布爾邏輯運(yùn)算，展示了其在低功耗、多功能2D電子系統(tǒng)中的巨大潛力。總體而言，這項(xiàng)研究不僅提出了一種新型的高-k介質(zhì)材料制備方法，還為未來高性能、多功能2D電子器件的發(fā)展開辟了新途徑。

圖 （a）CCTO介電層 gated MoS?器件在光刺激下的光電響應(yīng)特性、（b）非易失性光記憶行為、（c）光激活浮柵機(jī)制、（d）光/電調(diào)制浮柵水平的原理、（e）光寫電擦操作的循環(huán)演示，（f）基于該器件實(shí)現(xiàn)的邏輯運(yùn)算功能，包括AND操作、（g, h）OR門的真值表與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

澤攸科技ZEL304G電子束光刻機(jī)（EBL）是一款高性能、高精度的光刻設(shè)備，專為半導(dǎo)體晶圓的高速、高分辨率光刻需求設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的場發(fā)射電子槍，結(jié)合一體化的高速圖形發(fā)生系統(tǒng)，確保光刻質(zhì)量優(yōu)異且效率高。標(biāo)配的高精度激光干涉樣品臺能夠滿足大行程高精度拼接和套刻需求，為復(fù)雜實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)任務(wù)提供可靠支持。其核心優(yōu)勢在于成像能力和靈活的掃描模式，可實(shí)現(xiàn)多種矢量掃描方式，包括順序掃描、循環(huán)掃描和螺旋型掃描，同時(shí)支持多圖層自動曝光與場校準(zhǔn)功能，滿足多樣化的工藝要求。此外，設(shè)備兼容多種圖形文件格式，并可通過選配附件（如UPS不間斷電源和主動減震臺）進(jìn)一步提升運(yùn)行穩(wěn)定性。無論是新材料研究、前沿物理探索，還是半導(dǎo)體、微電子、光子學(xué)及量子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，ZEL304G均表現(xiàn)非常好，是科研與工程領(lǐng)域的理想選擇。

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