第一作者：徐何軍

通訊作者：吳幸、孫立濤

通訊單位：華東師范大學(xué)、東南大學(xué)

核心內(nèi)容：

1. 總結(jié)了納米器件的發(fā)展歷程。

2. 系統(tǒng)分析了原位TEM表征和操控納米器件的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì).

3. 系統(tǒng)總結(jié)了原位電鏡應(yīng)用于晶體管及非易失性存儲(chǔ)器中器件原理的最新研究進(jìn)展。

納米器件的表征

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，構(gòu)筑信息網(wǎng)絡(luò)的新型器件也不斷涌現(xiàn)，這其中就包括晶體管，非易失性存儲(chǔ)器等在內(nèi)的許多不同類型器件。然而隨著器件尺寸不斷縮小，缺陷在實(shí)現(xiàn)納米器件的高性能中起著越來越重要的作用。并且納米器件中的界面在各種外部環(huán)境下也表現(xiàn)出非常復(fù)雜的特性，這些都極大地影響了器件的性能。為了揭示缺陷的行為和演變以及納米器件中的界面特性，非常需要用于表征缺陷和界面的有效工具和技術(shù)。

原位TEM用于納米器件

原位透射電子顯微鏡（TEM）是精確定位器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息、確定化學(xué)組成的有效工具。此外，TEM能夠?qū)崿F(xiàn)多場(chǎng)耦合，原位TEM可以用于觀察、實(shí)時(shí)分析納米器件的微觀結(jié)構(gòu)和成分在不同外場(chǎng)和環(huán)境中失效過程的動(dòng)態(tài)演變。揭示納米器件在外場(chǎng)作用下的演變規(guī)律，對(duì)納米器件的可控制備、性能調(diào)控和應(yīng)用都具有重要的意義。由此及時(shí)地總結(jié)TEM在納米器件的整體可靠性和失效分析十分重要。

綜述簡(jiǎn)介

有鑒于此，華東師范大學(xué)吳幸課題組和東南大學(xué)孫立濤課題組簡(jiǎn)述了納米器件的發(fā)展歷程，系統(tǒng)地分析了原位透射電子顯微學(xué)表征和操控納米器件的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)地總結(jié)了原位電鏡應(yīng)用于晶體管及非易失性存儲(chǔ)器中器件原理的最新研究進(jìn)展，并展望了其未來的發(fā)展方向。

隨著器件尺寸的不斷減小，構(gòu)成納米器件的結(jié)構(gòu)和材料也不斷變化。應(yīng)力硅、高介電常數(shù)柵氧化層、金屬柵、Fin-FET等結(jié)構(gòu)紛紛涌現(xiàn)。二維材料以其具有高遷移率、完美界面、無懸掛鍵等優(yōu)點(diǎn)，基于二維材料的晶體管、隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管、半浮柵存儲(chǔ)器等各類器件也逐一出現(xiàn)。

該綜述的主體部分主要介紹了原位透鏡技術(shù)在晶體管以及包含阻變儲(chǔ)存器（RRAM）、相變存儲(chǔ)器（PCM）、鐵電存儲(chǔ)器（FeRRAM）在內(nèi)的非易失性存儲(chǔ)器兩大類器件研究中的應(yīng)用。

圖2.各種成像技術(shù)與多種分析功能相結(jié)合，使原位TEM實(shí)現(xiàn)了高分辨率、高時(shí)間分辨率和高能量分辨率。

這都?xì)w功于以下兩點(diǎn)：原位電鏡不僅可以進(jìn)行原子級(jí)別的成像、對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)成分的計(jì)量分析，觀察到了晶體管中氧化層的擊穿機(jī)理；還可以用電子束作為加工器件的工具，加工制作了石墨烯納米帶及石墨烯側(cè)柵器件。TEM結(jié)合各種成像技術(shù)與多種分析功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多場(chǎng)耦合，這使得原位電鏡可用于研究阻變存儲(chǔ)器、相變存儲(chǔ)器及鐵電阻變存儲(chǔ)器的阻變機(jī)制。比如通過原位電鏡在RRAM中觀察到主要的三種導(dǎo)電細(xì)絲演變機(jī)理為金屬遷移機(jī)制（ECM）和空位遷移機(jī)制（VCM）及兩者共存的機(jī)制。

最后進(jìn)一步闡述原位電鏡對(duì)揭示結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系起著橋梁作用的基本觀點(diǎn)（如圖3所示）。對(duì)原位電鏡未來的技術(shù)發(fā)展提出幾點(diǎn)挑戰(zhàn)，包括評(píng)估電子曝光產(chǎn)生的熱效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)破壞對(duì)器件研究的影響；關(guān)于縮短EDS和EELS收集信號(hào)的時(shí)間進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)材料成分變化；發(fā)展并提高磁性樣品的表征技術(shù)；實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)表征樣品等。

圖3. 原位電鏡作為納米器件的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間連接的橋梁。

參考文獻(xiàn)：

H.Xu, X. Wu, X. Tian, J. Lia, J. Chu, L. Sun. Dynamic structure-properties characterization and manipulation in advanced nanodevices. Materials Today Nano,2019.

DOI:10.1016/j.mtnano.2019.100042

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842019300598