先进纳米器件中的结构与性质动态表征和操控研究

第一作者：徐何军

通讯作者：吴幸、孙立涛

通讯单位：华东师范大学、东南大学

核心内容：

1. 总结了纳米器件的发展历程。

2. 系统分析了原位TEM表征和操控纳米器件的特点与优势.

3. 系统总结了原位电镜应用于晶体管及非易失性存储器中器件原理的最新研究进展。

纳米器件的表征

随着信息技术的不断发展，构筑信息网络的新型器件也不断涌现，这其中就包括晶体管，非易失性存储器等在内的许多不同类型器件。然而随着器件尺寸不断缩小，缺陷在实现纳米器件的高性能中起着越来越重要的作用。并且纳米器件中的界面在各种外部环境下也表现出非常复杂的特性，这些都极大地影响了器件的性能。为了揭示缺陷的行为和演变以及纳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术。

原位TEM用于纳米器件

原位透射电子显微镜（TEM）是精确定位器件内部的结构信息、确定化学组成的有效工具。此外，TEM能够实现多场耦合，原位TEM可以用于观察、实时分析纳米器件的微观结构和成分在不同外场和环境中失效过程的动态演变。揭示纳米器件在外场作用下的演变规律，对纳米器件的可控制备、性能调控和应用都具有重要的意义。由此及时地总结TEM在纳米器件的整体可靠性和失效分析十分重要。

综述简介

有鉴于此，华东师范大学吴幸课题组和东南大学孙立涛课题组简述了纳米器件的发展历程，系统地分析了原位透射电子显微学表征和操控纳米器件的特点与优势，系统地总结了原位电镜应用于晶体管及非易失性存储器中器件原理的最新研究进展，并展望了其未来的发展方向。

随着器件尺寸的不断减小，构成纳米器件的结构和材料也不断变化。应力硅、高介电常数栅氧化层、金属栅、Fin-FET等结构纷纷涌现。二维材料以其具有高迁移率、完美界面、无悬挂键等优点，基于二维材料的晶体管、隧道场效应晶体管、半浮栅存储器等各类器件也逐一出现。

该综述的主体部分主要介绍了原位透镜技术在晶体管以及包含阻变储存器（RRAM）、相变存储器（PCM）、铁电存储器（FeRRAM）在内的非易失性存储器两大类器件研究中的应用。

图2.各种成像技术与多种分析功能相结合，使原位TEM实现了高分辨率、高时间分辨率和高能量分辨率。

这都归功于以下两点：原位电镜不仅可以进行原子级别的成像、对材料进行化学成分的计量分析，观察到了晶体管中氧化层的击穿机理；还可以用电子束作为加工器件的工具，加工制作了石墨烯纳米带及石墨烯侧栅器件。TEM结合各种成像技术与多种分析功能，并且能够实现多场耦合，这使得原位电镜可用于研究阻变存储器、相变存储器及铁电阻变存储器的阻变机制。比如通过原位电镜在RRAM中观察到主要的三种导电细丝演变机理为金属迁移机制（ECM）和空位迁移机制（VCM）及两者共存的机制。

最后进一步阐述原位电镜对揭示结构-性质关系起着桥梁作用的基本观点（如图3所示）。对原位电镜未来的技术发展提出几点挑战，包括评估电子曝光产生的热效应以及结构破坏对器件研究的影响；关于缩短EDS和EELS收集信号的时间进而实现实时动态监测材料成分变化；发展并提高磁性样品的表征技术；实现三维实时动态表征样品等。

图3. 原位电镜作为纳米器件的结构和性质之间连接的桥梁。

参考文献：

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