Двумерные (2D) материалы, такие как дихалькогениды переходных металлов (TMD), благодаря своим уникальным свойствам обладают огромным потенциалом для применения в электронных устройствах следующего поколения. Эти свойства включают атомарную толщину, обеспечивающую высокую эффективность электростатического управления, а также отсутствие подвижных связей на поверхности и взаимодействия, обусловленные ван-дер-ваальсовыми силами (vdW), что делает их идеальными кандидатами для решения ключевых проблем, стоящих перед кремниевыми интегральными схемами, таких как уменьшение размеров, управление тепловыми процессами и проблема «стены памяти». Используя свойства 2D‑полупроводников, можно существенно повысить производительность полевых транзисторов (FET) и запоминающих устройств. Кроме того, технологии интеграции функций восприятия, хранения и вычислений на основе 2D‑материалов уже добились значительных успехов, открывая возможности вычислений непосредственно в сенсорах и памяти для таких задач, как распознавание и обработка изображений и акустических сигналов. Однако, несмотря на многочисленные преимущества 2D‑материалов, их ван-дер-ваальсовыe поверхности порождают важнейшую задачу: как интегрировать высококачественные диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (high‑k) с 2D‑полупроводниками так же, как это реализовано в кремниевой технологии.

Традиционные аморфные высококерамические диэлектрики, такие как оксид гафния (HfO2) и оксид алюминия (Al2O3), в процессе прямого осаждения демонстрируют слабую нуклеацию из‑за отсутствия подвижных связей на поверхности двумерных материалов, что приводит к ухудшению качества интерфейса — проявляется увеличением дефектов и нежелательной легировкой слоёв TMD. Поэтому обычно перед этим необходимо осаждать буферный или стартовый слой, чтобы улучшить результаты процесса ALD. С другой стороны, технология трансфера, хотя и позволяет разделять подготовку диэлектрика и его интеграцию, снижая требования к температуре синтеза, требует, чтобы сам диэлектрик обладал трансферными свойствами. Например, монокристаллический перовскит SrTiO3 можно получить методом импульсного лазерного осаждения и затем перенести в устройства на основе TMD в виде отдельных тонких пластин. Однако этот подход ограничен видовым и функциональным спектром доступных материалов, особенно когда необходимы многофункциональные диэлектрики. В связи с этим крайне важно разработать новое решение в области диэлектриков, которое было бы совместимо с двумерными технологиями, поддерживало трансфер и могло формировать гетероструктуры с материалами, связанными посредством ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Металлические оксиды, получаемые методом жидкофазной химии, благодаря низкой стоимости, возможности масштабного производства и разнообразию функциональных свойств представляют собой потенциальное решение данного вызова.

В ответ на указанные выше проблемы исследовательская группа, в состав которой входят Пекинский университет, Институт физики Китайской академии наук, Тайюаньский политехнический университет, Сеульский университет Ёнсе и другие учреждения, провела углублённые исследования с использованием электронно-лучевого литографического станка EBL компании «ZEPTOOLS». Они совместно разработали методы получения переносимых аморфных металлооксидных диэлектрических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью (high‑k) с использованием влажной химии и успешно применили их в двумерных электронных устройствах. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Nature Communications под названием «Переносимые, полученные методом влажной химии аморфные металлооксидные диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью для двумерных электронных устройств»; ссылка на оригинальную статью: https:// doi.org/10.1038/s41467- 025-56815-9

Основное содержание статьи посвящено разработке метода получения трансферабельных аморфных металлооксидов с высокой диэлектрической проницаемостью (high‑k), в частности оксида меди‑кальция‑титана (CCTO), с использованием мокрого химического подхода. Исследовательская группа синтезировала пленки CCTO методом Печини, при котором цитратная кислота комплексирует катионы металлов, а этиленгликоль инициирует полимеризацию, что обеспечивает однородное смешение на атомном уровне. Полученные пленки CCTO обладают выдающимися диэлектрическими свойствами и высокой трансферабельностью; они могут безразрывно интегрироваться с двумерными (2D) материалами, формируя высококачественные гетероструктуры. Этот технологический прорыв позволяет решить проблему качества интерфейса, характерную для традиционных методов осаждения на 2D‑материалах, и одновременно исключает негативное влияние высокотемпературной обработки на характеристики устройств.

В исследовании дополнительно изучены электрические свойства пленок CCTO и их потенциал применения в двумерных электронных устройствах. С помощью измерений в структуре металл–диэлектрик–металл (MIM) было установлено, что диэлектрическая проницаемость пленок CCTO достигает 42,9, что свидетельствует о выраженных характеристиках высокой диэлектрической проницаемости. Кроме того, после переноса этих пленок на золотую (Au) подложку или на двумерные материалы, такие как графен, их диэлектрические свойства остаются стабильными, что подтверждает отсутствие заметного ухудшения характеристик в процессе трансфера. Эксперименты также продемонстрировали практическую применимость пленок CCTO в качестве верхнего диэлектрика в двойнозарядных графеновых полевых транзисторах (FET): их эквивалентная толщина оксидного слоя (EOT) составляет всего 0,9 нм, что значительно ниже значений, характерных для традиционных материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.

Что ещё более важно, пленка CCTO обладает не только превосходными диэлектрическими свойствами, но и многофункциональными характеристиками. Используя оптически активные свойства CCTO, исследовательская группа в простом полевом транзисторе реализовала операцию с плавающим затвором, управляемую светом, что открывает новый подход к логическим вычислениям и вычислениям непосредственно в сенсорах. Такие многофункциональные устройства на основе CCTO способны выполнять до девяти базовых булевых логических операций в рамках единой архитектуры, демонстрируя их огромный потенциал для энергоэффективных и многофункциональных двухмерных электронных систем. В целом данное исследование не только предложило новый метод получения высококерамических диэлектриков, но и открыло новые перспективы для разработки будущих высокопроизводительных и многофункциональных двухмерных электронных устройств.

Электронно‑лучевой литограф ZEL304G компании ZeYou Technology — это высокопроизводительное, сверхточное литографическое оборудование, специально разработанное для выполнения быстрых и высокоразрешённых литографических операций на полупроводниковых подложках. Система оснащена передовым электронным источником с полевым эмиттером и интегрированной высокоскоростной системой формирования рисунков, что обеспечивает исключительно высокое качество литографии и выдающуюся производительность. В стандартной комплектации предусмотрена высокоточная лазерная интерференционная станина, способная удовлетворять требованиям точной стыковки и совмещения при больших ходах, предоставляя надёжную поддержку для сложных экспериментальных и производственных задач. Ключевыми преимуществами являются превосходные возможности формирования изображений и гибкие режимы сканирования: устройство поддерживает различные способы векторного сканирования — последовательное, циклическое и спиральное; кроме того, оно оснащено функциями автоматической экспозиции нескольких слоёв и калибровки поля, что позволяет удовлетворять самые разнообразные технологические требования. Кроме того, оборудование совместимо с множеством форматов графических файлов и может дополнительно повышать стабильность работы за счёт опциональных аксессуаров, таких как ИБП и активная демпфирующая платформа. Будь то исследования новых материалов, фундаментальные физические эксперименты или применение в области полупроводников, микроэлектроники, фотоники и квантовых технологий — ZEL304G демонстрирует выдающиеся результаты и является идеальным выбором для научных исследований и инженерных проектов.