浙大學者《自然·通訊》發文：新材料有望為芯片加速

　　近日，浙江大學物理學系百人計劃研究員謝燕武課題組，聯合浙江大學電鏡中心田鶴課題組、張澤院士以及美國斯坦福大學Harold Hwang教授，首次發現在鈦酸鍶與鉿酸鈣異質界面存在一種與鈦酸鍶終止面無關的，且又極為穩定的電子氣。這項研究為氧化物電子器件的發展提供一個新的實用平臺。

　　這項工作近日被刊發在國際知名雜志《自然·通訊》（Nature Communications）上，浙江大學物理學系2016級博士生張蒙和電鏡中心博士生杜凱為文章共同第一作者，物理學系謝燕武研究員和電鏡中心田鶴研究員為文章共同通訊作者。

　　試驗20多種后，偶然發現新材料

　　半導體工業是現代社會發展和科技進步的基礎產業，也是上述“高速公路”實現的主要途徑。但是隨著技術手段的不斷提升和換代，越來越接近摩爾定律的極限，整個半導體器件工業的性能提升和突破變得越來越困難。尋找具有類似特性的功能材料和器件設計就被研究人員逐步提上了日程。

　　氧化物電子器件是下一代功能性器件的有力競爭者之一。從已有的各種結果看，鈦酸鍶是實驗室條件下替代硅的重要候選材料之一。隨著研究的持續深入，科研人員發現，電子氣只偏愛氧化鈦終止面（表面）的鈦酸鍶。對于氧化鍶終止面的鈦酸鍶，盡管它與氧化鈦終止面的鈦酸鍶僅僅表面一個原子層有差別，但是電子氣卻了無蹤影。此外，關于電子氣的來源，目前學界尚有爭議。

　　針對這一狀況，謝燕武課題組系統地開展了鈦酸鍶相關界面電子氣物理機制研究，對已知存在電子氣的界面體系進行一一重復試驗，并探索了大量新的界面體系。在長達兩年多的實驗中，課題組偶然發現了一種神奇的材料，鉿酸鈣，其不再“挑剔”，在兩種終止面（氧化鍶和氧化鈦）的鈦酸鍶基片上都能產生高遷移率的電子氣。浙大電鏡中心的田鶴課題組和張澤院士對這一界面體系進行了深入細致的表征分析。

　　這是截至目前發現的唯一具有如此性質的氧化物界面體系，至于這種特殊性質的來源，浙大團隊給出了一種可能的解釋，但還需要更加深入的研究和驗證。

　　極度穩定，為器件應用打下基礎

　　浙大團隊表示，以往發現的鈦酸鍶界面電子氣雖然具有極為有趣的物理性質，但有一個大缺點，“不愛洗澡”。盡管結構本身非常穩定，但是一旦碰到水、酒精、丙酮等這些實驗室常見溶劑，電子氣的濃度就變了，吹干了也不行。

　　在對界面電子氣物理機制的研究中，浙大團隊把“洗澡”作為一個檢測手段，給每一新合成的組合都“洗個澡”，然后烘干測試電輸運性質的變化。這樣才意外地發現了這個“不怕洗澡”的鉿酸鈣與鈦酸鍶界面組合。

　　“給新樣品洗完澡，我們發現‘不怕水’。” 張蒙笑著說。

　　浙大團隊表示，目前的實驗表明，“新界面電子氣”對環境變化（如溫度、濕度、氧壓、溶劑等）都不敏感，這對于制作電子器件來說是一個極大的利好，可以避免制備中間過程對器件性能的影響。值得一提的是，研究人員文中提到已經成功利用該體系做出了簡單的場效應晶體管，為將來實現更加全面的應用提供了參考。

　　浙大團隊表示，鉿酸鈣與鈦酸鍶異質界面結構是非常好的研究體系，其優勢在于界面電子氣的出現與基片終止面無關，具有極高的穩定性，并且該體系中鉿酸鈣材料本身也是一種優良的介電材料，對調控界面電子氣來說很有優勢。

　　這項研究受到科技部重點研發計劃和中央高校基本科研業務費資助。