تتسارع وتيرة صناعة الإلكترونيات الدقيقة نحو عصر ما بعد مور! تقوم مجموعة أبحاث مي يونغفينج في جامعة فودان بدمج تقنية DNN والأغشية النانوية لتحليل زاوية الضوء الساقط بدقة

"يعتبر التجميع الذاتي للأغشية النانوية ثنائية الأبعاد في هياكل دقيقة ثلاثية الأبعاد" طريقة مهمة لتصنيع الأجهزة الإلكترونية الدقيقة من الجيل التالي، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات الإلكترونية والبصرية المتقدمة القادمة. ومع ذلك، فإن تشكيل الشكل الهندسي النهائي للغشاء النانوي ثنائي الأبعاد يتأثر بمسار الحفر والتفاعل الكيميائي ونسبة العرض إلى الارتفاع وعوامل معقدة أخرى، مما يجعل من الصعب تحسين إنتاج المنتج ومعدل المنتج النهائي أثناء عملية تصنيع الأجهزة المجمعة ذاتيًا، مما يعيق بشكل خطير انتقاله الحقيقي من المختبر إلى التطبيق الصناعي.

من أجل التنبؤ بشكل دقيق بالشكل وتوفير إرشادات التصميم للهياكل الغشائية النانوية المجهدة مسبقًا، قام العلماء بتصميم وتطوير العديد من الأساليب التحليلية والعددية على مدى قرن من الزمان. في،يمكن لنمذجة العناصر المحدودة (FEM) محاكاة وتوقع سلوك الأغشية النانوية بشكل حدسي بعد إطلاقها.وفي السنوات الأخيرة، تم استخدامه من قبل الباحثين لدراسة ومحاكاة عملية اللف الذاتي للأغشية النانوية. ومع ذلك، وبناءً على النتائج، فإن معظم التجارب لا تكتفي إلا بتكوين هيكل محدد أو تحليل محلي، ولا تزال تفتقر إلى إمكانية التطبيق على نطاق واسع ونماذج دقيقة لظروف الحدود.

ردًا على ذلك، نشرت مجموعة البحث التابعة للأستاذة مي يونغفينج من قسم علوم المواد بجامعة فودان مؤخرًا نتيجة بحث بعنوان "التصميم والبناء متعدد المستويات في لف الغشاء النانوي للكشف الضوئي الحساس للزاوية ثلاثية الأبعاد" في مجلة "Nature Communications".اقترحت هذه الدراسة طريقة تحليل العناصر المحدودة شبه الثابتة متعددة المستويات، وبناءً على هذه الطريقة، تم تصميم وبناء ستة أنواع من الهياكل الدقيقة ثلاثية الأبعاد المجمعة من نانوفيلم السيليكون (Si) / الكروم (Cr) وكاشفات ضوئية ثلاثية الأبعاد مقابلة.لقد تم التحقق بشكل كامل من التنوع الجيد والتطبيق الصناعي لهذه التكنولوجيا.

أبرز الأبحاث:

• يتم تطبيق طريقة العناصر المحدودة شبه الثابتة متعددة المستويات بنجاح على مجموعة واسعة من أنظمة المواد، وسمك النانوفيلم، وأنواع الأنماط، وأحجام الأنماط، مما يدل على تنوع جيد.
• بناءً على نموذج العناصر المحدودة، تم تحقيق بنية قابلة للتكوين ثلاثية الأبعاد واسعة النطاق وعالية الإنتاجية وعالية التوحيد بنجاح.
• تم تطوير سلسلة من أجهزة الكشف الضوئية الهيكلية ثلاثية الأبعاد للكشف عن زاوية الضوء الساقط بدقة 10 درجات، مما يدل على إمكاناتها في تصنيع الأجهزة الإلكترونية والبصرية الإلكترونية.

عنوان الورقة:
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47405-2

تحرير غشاء نانوي ثنائي الطبقة مجهد مسبقًا

أنشأ فريق البحث نموذجًا قياسيًا لإطلاق غشاء النانو.وهو يتكون من غشاء نانوي مستطيل الشكل بعرض W وطول L وتدرج إجهاد في المستوى وطبقة تضحية وركيزة. تم تصميم هذه العملية لضمان المعالجة والتطبيق الفعال للأجهزة ثلاثية الأبعاد المجمعة ذاتيا على مستوى النانو. وفي الوقت نفسه، هناك حاجة أيضًا إلى الكشف عن المزيد من العوامل المؤثرة التي يجب أخذها في الاعتبار في نمذجة العناصر المحدودة.

يوضح الشكل ب عملية تحرير الغشاء النانوي مزدوج الطبقة المجهد مسبقًا ذو الحافة الثابتة. ويوضح الشكل (ج) كذلك عملية النقش الرطب للطبقة القربانية. ينتشر المحلول الملحي من الطور السائل إلى الواجهة الصلبة السائلة ويتفاعل كيميائيًا مع الطبقة التضحية عند الواجهة.

تساعد طريقة تحليل العناصر المحدودة شبه الثابتة متعددة المستويات

استخدم فريق البحث حزمة برامج COMSOL Multiphyics لإنشاء نموذج عنصر محدود مقترن متعدد المجالات لمحاكاة عملية النقش داخل الطبقة التضحية، باستخدام طبقة ثنائية ثابتة أولية مقيدة لمحاكاة الحالة غير المحررة.

مع الأخذ في الاعتبار تدفق المادة الحفرية وحركة حدود نظام الحفر، قدم فريق البحث قانون فيك ومعادلة نافير-ستوكس ونموذج تفاعل السائل والصلب لإنشاء نموذج العناصر المحدودة:

حيث c هو تركيز المادة المسببة للتآكل، u هي سرعة تدفق المادة المسببة للتآكل، D هو معامل الانتشار، k هو معامل معدل التفاعل، n هو المتجه العمودي، ρ هي الكثافة، μ هو معامل اللزوجة الديناميكية، v هي سرعة الشبكة العمودية، وM هي الكتلة المولية.

تناولت الدراسة تأثير المعايير المختلفة.وقد تبين أن العلاقة بين تركيز المادة المسببة للتآكل ومعدل التفاعل تعتمد على توازن الانتشار وعملية التفاعل الكيميائي.

تتكون عملية الإطلاق الديناميكي الكاملة للغشاء النانوي مزدوج الطبقة من سلسلة من الخطوات التحليلية التي يتم إجراؤها حسب الترتيب الزمني. يوضح الشكل ب أعلاه السمات الهندسية لتغيرات الحدود التي تم الحصول عليها من المحاكاة السابقة في شكل إحداثيات، مع عدد العقد i = 1، 2، … لتقسيم السمات على طول اتجاه سمك الطبقة المزدوجة Si/Cr. من خلال التقسيم الهندسي، يتم تقسيم الحدود عند نقاط زمنية منفصلة متعددة إلى شروط حدودية. في خطوة تحليل الميكانيكا المرنة، يتم تعيين الشروط الحدودية كسلسلة من القيود في تسلسل زمني لتحقيق الإطلاق المستمر للغشاء النانوي، كما هو موضح في ج في الشكل أعلاه.

بسبب الظروف الحدودية غير المتماثلة لهيكل الغشاء النانوي ثنائي الطبقة الثابت أحادي النهاية، وعملية الإطلاق الفعلية المعقدة والتشوه الهندسي الكبير، فإن التصميم الهيكلي باستخدام معادلة الاضطراب الكبيرة للصفائح الرقيقة المرنة لا يمكنه أن يعكس العملية بدقة. إذا أخذنا في الاعتبار فقط إطلاق الأغشية النانوية من الحواف المتقابلة، فإن التجميع ثلاثي الأبعاد لا يمكنه تقديم سوى بنية أنبوبية.وأظهرت نتائج محاكاة الفيلم النانوي مزدوج الطبقة دقة أفضل وعرضت بنجاح الشكل الذي يتغير مع العرض.(كما هو موضح في د في الشكل أعلاه).

تظهر نتائج تحليل العناصر المحدودة شبه الثابتة أن مسار النقش للطبقة التضحية يلعب دورًا حاسمًا في تنظيم إطلاق الغشاء النانوي مزدوج الطبقة. وفي الوقت نفسه، بالإضافة إلى النمط المستطيلي للسيليكون (Si) / الكروم (Cr)، قام فريق البحث أيضًا بتصميم أنواع مختلفة من الأنماط مثل الأنماط نصف الدائرية والمثلثة والمتوازية الأضلاع باستخدام نموذج العناصر المحدودة متعدد الطبقات. وأظهرت الطريقة أيضًا التوافق عبر المقاييس من النماذج على مقياس المائة نانومتر إلى مقياس المائة ميكرومتر.

تُظهر الشبكات العصبية العميقة براعتها، مما يجلب الابتكار إلى اكتشاف زاوية الضوء ثلاثية الأبعاد

وقد اختار فريق البحث نظام النانوفيلم المزدوج الطبقة Si/Cr للتحقق من نموذج التصميم لأن الكروم يمكنه إدخال إجهاد مسبق كبير والسيليكون هو المادة شبه الموصلة الأكثر استخدامًا على نطاق واسع. وتظهر العملية التجريبية في الشكل أدناه.

يتيح نهج التصميم متعدد المستويات الذي يعتمد على حفر العناصر المحدودة والنمذجة الميكانيكية المرنة التجميع ثلاثي الأبعاد للأغشية النانوية المجهدة مسبقًا، مما يوفر فرصًا جديدة لتصميم الأجهزة المستقبلية من خلال هندسة الإجهاد. وأخيرًا، أجرى فريق البحث مجموعة واسعة من عمليات الكشف عن زاوية الضوء الساقط على أجهزة الكشف الضوئية ذات الأشكال المختلفة.تظهر النتائج حساسية الاقتران الكهروضوئي في التكوينات ثلاثية الأبعاد ويمكن توسيعها واستخدامها لتحقيق وظائف الأجهزة الإلكترونية النانوية المجمعة ثلاثية الأبعاد.كما هو موضح في الشكل أدناه.

قام فريق البحث بتصميم وحدة تحكم ضوء ساقط متعددة الاتجاهات على شكل نصف كروي تتكون من غلاف شفاف من مادة PMMA ومجموعة من واجهات الألياف الضوئية.يمكن أن يسقط الليزر بزاوية محددة من خلال واجهة متصلة بالإحداثيات المقابلة للسطح الكروي، كما هو موضح في الشكل ج أعلاه، ويتم ضبط الإحداثيات (θ، φ).

يتم بعد ذلك وضع كاشف الضوء Si/Cr المجهز على منصة على نفس ارتفاع الجزء السفلي من وحدة التحكم في الضوء الساقط، ويتم معايرة وحدة التحكم للتأكد من أن إحداثيات الإسقاط لمنفذ الليزر المدخل (90 درجة، 0 درجة) على المستوى YZ محاذية لمركز كاشف الضوء (كما هو موضح في الشكلين أ و ب أعلاه). أخيرًا، يتم استيراد بيانات اكتشاف الضوء المجمعة إلى الشبكة العصبية العميقة لتحليل زاوية السقوط (كما هو موضح في الشكل ج أعلاه).

على وجه التحديد، يتمتع كاشف الضوء Si/Cr باستجابة قصوى تبلغ 60mA/W، وزمن استجابة يتراوح بين 100 و700 ميكروثانية، وكفاءة كمية خارجية تتراوح بين 7 و12 %، مما يمكنه الاستجابة بشكل فعال لضوء ساقط بطول موجة 520 نانومتر لتحقيق الكشف الضوئي، كما هو موضح في الشكل أعلاه.

بعد قياس استجابة الضوء للضوء الساقط من إحداثيات مختلفة، قام الفريق بتطبيع التيار الضوئي عند كل إحداثي وتصنيفه حسب نوع البنية. في الوقت نفسه، لتسهيل المقارنة البديهية للبيانات، سيتم إسقاط التيار الضوئي الطبيعي لكل بنية على المستوى YZ من خلال وحدة التحكم الضوئية. كما قام فريق البحث أيضًا بإنشاء إحداثيات كروية ممثلة بـ θ وφ للمساعدة في تحديد موضع الضوء الساقط على كرة الإسقاط.

تظهر النتائج أن كاشف الضوء المستوي Si/Cr غير المفرج عنه (f في الشكل أعلاه)، وكاشف الضوء الحلقي (g في الشكل أعلاه)، وكاشف الضوء القوسي (h في الشكل أعلاه)، وكاشف الضوء الحلزوني (i في الشكل أعلاه)، وكاشف الضوء المخروطي (j في الشكل أعلاه)، وكاشف الضوء الأنبوبي (k في الشكل أعلاه) تظهر نتائج مختلفة لكشف زاوية السقوط.

ومن بينها، بالمقارنة مع كاشف الضوء المستوي Si/Cr غير المفرج عنه، فإن كاشفات الضوء الحلقية والأنبوبية لها زاوية كشف تيار ضوئي عالية أوسع، مما يؤكد أن البنية الدقيقة ثلاثية الأبعاد مواتية للكشف المتباين للضوء الساقط. بالمقارنة مع هيكل الحلقة، يظهر كاشف الضوء الأنبوبي استقرارًا أفضل في الكشف بزاوية واسعة.

ثم، بناءً على الاختلافات في اكتشاف زاوية السقوط للهياكل في التجارب المذكورة أعلاه،استخدم فريق البحث الشبكات العصبية العميقة لإنشاء نموذج كشف حساس للزاوية يعتمد على أجهزة كشف ضوئية ذات هياكل مختلفة.

قام فريق البحث بجمع البيانات من 275 نقطة سقوط لكل كاشف ضوئي في الأشكال f-k وقاموا ببناء قاعدة بيانات ثلاثية الأبعاد للاستجابة الضوئية الكهربائية للضوء الساقط. وباستخدام الشبكات العصبية العميقة لتدريب مجموعات بيانات خطوط الطول والعرض، حققنا دقة 95% و78% على التوالي (l في الشكل أعلاه).بناءً على التكنولوجيا المذكورة أعلاه، يمكن تحقيق دقة 83% و71% في اكتشاف خطوط الطول والعرض لاتجاه الضوء الساقط.تصل دقة زاوية الضوء الساقط إلى حوالي 10 درجات، كما أن وزن توقع الزاوية له أهمية كبيرة كما يمكن رؤيته في الشكل n أعلاه.

يمكن لجهاز الكشف الضوئي ثلاثي الأبعاد المدمج مع الشبكة العصبية العميقة وتجميع الأغشية النانوية تحقيق تنبؤ عالي الدقة لزاوية الضوء الساقط.وقد أظهرت هذه التقنية إمكانات تطبيقية قيمة في الأجهزة القابلة للارتداء، والأثاث الذكي، وأنظمة القيادة الذكية.

المواهب الشابة مليئة بالحيوية والنشاط، والأجهزة الإلكترونية الدقيقة ترحب بالتطورات الجديدة

المؤلفان المشاركان الأولان لهذه الورقة البحثية هما طالب الدكتوراه تشانغ زيو والدكتور وو بينمين.Zhang Ziyu هو طالب دكتوراه لعام 2021 في قسم علوم المواد بجامعة فودان. بصفته المؤلف الأول/المؤلف المشارك الأول، فقد نشر 3 أوراق بحثية وفصول دراسات في مجلات مثل Nature Communications وAdvanced Materials، وشارك في نشر 9 أوراق بحثية وفصول دراسات، وتقدم بطلب للحصول على براءتي اختراع صينيتين.

ومن الجدير بالذكر أنه في وقت نشر نتيجة هذا البحث، تم اختيار Zhang Ziyu بنجاح أيضًا في الدفعة الأولى من قائمة تمويل مشروع البحث الأساسي للطلاب الشباب (طلاب الدكتوراه) التابع لمؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية.

وحقق وو بينمين أيضًا نتائج عظيمة. قبل بضعة أشهر، نشر وو بينمين ورقة بحثية بعنوان "تصنيع خطوة واحدة من أجهزة قياس الإشعاع الأنبوبية VO2 مع الكشف الحساس للاستقطاب والشامل الاتجاهات" في مجلة "Science Advances" باعتباره المؤلف الأول. قام فريق البحث باستكشاف واكتشاف أن الغشاء النانوي الأنبوبي الموجود على الشريحة يتمتع بعزل حراري ممتاز وتأثيرات احتجاز الضوء.

ولا يعد هذا البحث التعاون الأول بين تشانغ زيو ووو بينمين. في وقت سابق من هذا العام، نشر الاثنان ورقة بحثية بعنوان "أغشية نانوية من السيليكون أحادي البلورة فائقة الرقة والملفوفة ذاتيا لكاشفات ضوئية مستقطبة أنبوبية على الشريحة" في مجلة "المواد المتقدمة" كمؤلفين مشاركين أولين.يركز هذا البحث على أجهزة الكشف الضوئية المستقطبة ذات الغشاء النانوي المصنوع من السيليكون أحادي البلورة ذات التجعيد الذاتي.

بالإضافة إلى المؤلفين المتميزين، فإن التقدم الذي أحرزته المواد النانوية ثنائية الأبعاد يستحق الاهتمام أيضًا. وخاصة في عالم اليوم حيث أصبحت الأجهزة مصغرة وذكية، فقد جذبت الأجهزة الكهربائية التي تبني هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة على المستوى النانوي والميكروي انتباه المختبرات الكبرى في جميع أنحاء العالم.

وقد جمعت المجلة العلمية المرموقة Nature Communications عددًا من نتائج الأبحاث المتعلقة بهذا الجانب. على سبيل المثال، في وقت مبكر من عام 2019، فيليكس جابلر وآخرون. نُشرت نتيجة بحث بعنوان "الأوريجامي المغناطيسي يخلق أجهزة دقيقة عالية الأداء"، والتي ذكرت طريقة بديلة لتجميع الأغشية النانوية ذات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية في الإلكترونيات الدقيقة.يمكن تحسين عملية تصنيع الشريحة من خلال المساعدة في تجميعها عن بعد من خلال تأثير المجالات المغناطيسية الخارجية.
رابط الورقة:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10947-x

يجمع أحدث تعاون بين Zhang Ziyu و Wu Binmin بين الشبكات العصبية العميقة والأغشية النانوية لتجميع أجهزة كشف الضوء ثلاثية الأبعاد لتحقيق تحليل دقيق لزاوية الضوء الساقط. ومن خلال دمج الذكاء الاصطناعي المتقدم، فإنه يعمل على تسريع وصول عصر More-than-Moore ويعزز التطوير المتقدم للتطبيقات البصرية الإلكترونية.