中国科学家发明芯片“自我雕刻”技术，让晶体自己“长”出结构

图释：内应力驱动的二维钙钛矿面内刻蚀与图案化策略

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近日，中国科学技术大学的科研团队在《自然》杂志上发表了一项重要研究。他们发明了一种名为“自刻蚀”的新工艺，首次在一种名为二维离子型软晶格的新型半导体材料内部，实现了像拼接马赛克一样，精准、可编程地构建不同材料的异质结。

在半导体世界里，器件的性能往往取决于其内部不同材料界面结合的质量。传统硅基芯片的制造，依赖于光刻、刻蚀等“自上而下”的精密加工技术。这些技术就像用一把极其精细的刻刀，在坚硬的硅晶圆上雕刻出电路。

然而，以二维卤化物钙钛矿为代表的新型半导体，其晶体结构是“软”的。它们由离子键构成，像一块富有弹性的海绵，对外界刺激非常敏感。传统的物理或化学刻蚀方法，很容易破坏这种柔软的结构，导致界面粗糙、缺陷丛生。

这就像试图在嫩豆腐上雕刻精密花纹，稍一用力，豆腐就碎了。因此，如何在这样的“软晶格”材料中，高质量地构建横向异质结，一直是该领域一个棘手的科学难题。

面对“刻不动”的困境，中国科大的团队换了一个思路：不强求从外部“雕刻”，而是引导材料从内部“自我组装”。他们的灵感，来自于材料自身的一个特性——内应力。

二维钙钛矿晶体在生长过程中，内部会自然累积应力，就像被压缩的弹簧储存着势能。研究人员巧妙地设计了一种温和的化学微环境。这种环境由特定的有机配体和溶剂构成。

它能够选择性地“激活”晶体中预先设计好的特定区域的内应力。被激活的区域，原子间的结合力被温和地削弱，从而发生可控的溶解，形成边缘整齐的方形孔洞。这个过程，就是“自刻蚀”。

关键的一步在于“回填”。在孔洞形成后，研究团队迅速向体系中引入另一种半导体材料的“原料”。由于孔洞边缘的晶格完整且裸露，新的材料能够以此为模板，进行快速的“外延生长”，完美地填充进孔洞。

最终，他们在同一块完整的单晶内部，构筑出了晶格连续、界面达到原子级平整的“马赛克”图案。不同材料的区域无缝拼接，质量极高。

图释：二维钙钛矿面内马赛克异质结结构

半导体器件的微型化与集成化是永恒的主题。从真空管到晶体管，从集成电路到今天的纳米芯片，我们不断在更小的空间内集成更多功能。但传统硅基技术，正逐渐逼近物理极限。

以发光器件为例，当前的Micro-LED显示技术，需要将红、绿、蓝三色微米级的LED芯片分别制造，再通过巨量转移技术精准拼接。这个过程极其复杂，成本高昂，且良率挑战大。

而“自刻蚀”技术展示的，是一种“生长即集成”的全新模式。用这个技术，未来有可能在一块极薄的二维材料晶片上，像“种庄稼”一样，通过编程引导，直接生长出密集排列的、能分别发出不同颜色光的微小像素点。

这消除了转移和拼接的步骤，有望大幅简化工艺、降低成本，并实现更高的器件密度和更优的界面性能。它为高清显示、片上光互联、甚至量子光源阵列等未来技术，提供了一个极具潜力的材料与工艺平台。

更重要的是，这项研究提供了一种驾驭材料内禀性质（如内应力、生长动力学）来实现功能化的新模式。它告诉我们，有时候最精密的“雕刻家”，可能就是材料本身。学会与材料对话，引导而非强迫，或许将是未来材料科学和微纳制造的一个重要方向。

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原文：toutiao.com/article/7595779848425980479/

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