【骨干成员】

姜     勇 北京科技大学教授，杰青

王守国  北京科技大学教授，杰青

孙    阳  中科院物理所，研究员，杰青

庞晓露  北京科技大学教授

【研究背景】

薄膜材料主要包括磁性薄膜、多铁性薄膜、高K电介质薄膜、透明导电薄膜、硬质薄膜等。这些薄膜材料在大规模集成电路、信息存储和处理、电子元器件、燃料电池、提升材料耐磨抗蚀性能等方面都发挥着越来越重要的作用。近年来，随着国家在高新技术、先进制造领域投入的不断加大和政策倾斜，国内在新材料设计、微纳米加工技术、芯片设计等领域取得巨大的进步，这也为薄膜材料的发展提供了前所未有的机遇。众所周知，结合磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、化学气相沉积等薄膜制备方法和光刻、离子束刻蚀等微加工手段，薄膜应该是最容易实现高通量制备的材料之一，发展薄膜材料的高通量制备技术可为加速揭示块体材料的成分-工艺-结构-性能之间的规律提供理论和实验基础。

【研究目标】

当前，薄膜材料的高通量制备已经能够初步实现成分的阵列和梯度分布，但还不能同时实现成分和微结构的阵列或梯度分布，所面临的障碍既包括技术上的问题，例如薄膜材料制备过程中温度、磁、电等物理场的精确控制比较困难，又包括材料扩散、相变、晶体形核长大等关键科学问题。本团队拟开展相关课题的研究，旨在实现薄膜材料的高通量制备及快速筛选。

【主要研究内容】

1. 研究温度、磁、电、等离子等物理场控制技术

2. 研究薄膜材料高通量制备中扩散/结晶关键技术

3. 大面积均匀薄膜材料的其它手段的高通量制备技术

4. 建立低维材料高通量制备的关键技术体系

【重要研究进展】

1. SmNiO₃功能薄膜研究

   首次对SmNiO₃薄膜稀土镍基钙钛矿化合物在氢致相变前后的氢元素与氧元素进行了定量的表征。发现虽然处于双向拉伸应力作用下的SmNiO₃薄膜材料在氢致相变中的电阻变化率高于处于部分压缩应力下的SmNiO₃薄膜，但氢元素实际含量较小。实验结果推翻了对稀土镍基钙钛矿化合物在氢致相变的本质机理解释，证明了产生强电子局域态的稀土镍基钙钛矿化合物绝缘相与氢元素掺杂量并没有直接关系，更可能是氢元素在其材料中的迁移产生了亚稳态的局域缺陷。这对于深入理解d-电子轨道强关联钙钛矿氧化物的氢致金属绝缘体相转变的机理，以及进一步利用该相变设计制备强关联电子器件等方面具有重要的科学意义。研究成果发表于Nature Communications 10, 694(2019)。

图1 STO单晶衬底上处于双向拉伸应力的SmNiO₃薄膜得RSM图谱 (a) ；生长于STO、LAO、LSAT单晶衬底上具有不同晶格应变程度的SmNiO₃薄膜材料在氢致相变后的氢元素含量(b) 以及电阻变化率(c) 。

1.  二维层状氧化钼的研究

   采用固态Li离子电解质作为栅隔离层，制备了一种全固态突触晶体管。在栅极电压作用下，通过Li离子在二维材料α-MoO₃中的注入与抽出，实现了α-MoO₃沟道电阻在低电导条件下的多态可逆变化，并且成功模拟了神经突触权重变化等行为。该器件可以在真空条件下实现沟道电导变化，从而摆脱了对外界环境的依赖，有望实现大规模器件阵列的制备。采用Li离子突触晶体管阵列构建的三层神经网络（784×300×10）并结合反向传播算法，可以实现对手写数字库的训练与识别，识别精度达到87.3%。这一工作证明了将Li离子固态电解质用于实现低功耗全固态突触晶体管的可行性，为实现大规模突触晶体管阵列制备，开发高能效神经形态计算网络提供了新的途径。研究结果发表于Advanced Functional Materials 28, 1804170 (2018)。

                                                                    图2 基于α-MoO3的突触晶体管的结构、电输运性质与锂离子注入/抽出机制