Die Mikroelektronik Beschleunigt Ihren Weg in Die Post-Moore-Ära! Die Forschungsgruppe Von Mei Yongfeng an Der Universität Fudan Integriert DNN- Und Nanofilm-Technologie, Um Den Winkel Des Einfallenden Lichts Genau Zu Analysieren

Die „Selbstorganisation zweidimensionaler Nanomembranen zu dreidimensionalen Mikrostrukturen“ gilt als wichtiger Weg zur Herstellung mikroelektronischer Geräte der nächsten Generation, was für kommende fortschrittliche elektronische und optoelektronische Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Die Bildung der endgültigen geometrischen Form der zweidimensionalen Nanomembran wird jedoch durch die Ätzbahn, chemische Reaktionen, das Seitenverhältnis und andere komplexe Faktoren beeinflusst, was es schwierig macht, die Produktausbeute und die Endproduktrate während des Herstellungsprozesses selbstorganisierter Geräte zu verbessern, was ihren tatsächlichen Übergang vom Labor zur industriellen Anwendung ernsthaft behindert.

Um die Morphologie genau vorherzusagen und Designrichtlinien für vorgespannte Nanomembranstrukturen bereitzustellen, haben Wissenschaftler im Laufe eines Jahrhunderts viele analytische und numerische Methoden entworfen und entwickelt. In,Mithilfe der Finite-Elemente-Modellierung (FEM) kann das Verhalten von Nanofilmen nach der Freisetzung intuitiv simulieren und vorhersagen.In den letzten Jahren wurde es von Forschern verwendet, um den Selbstrollprozess von Nanofilmen zu untersuchen und zu simulieren. Den Ergebnissen zufolge begnügen sich die meisten Experimente jedoch nur mit der Bildung spezifischer Strukturen oder lokaler Analysen und verfügen noch immer nicht über eine breite Anwendbarkeit und genaue Randbedingungsmodelle.

Als Reaktion darauf veröffentlichte die Forschungsgruppe von Professor Mei Yongfeng vom Department für Materialwissenschaften der Universität Fudan kürzlich in „Nature Communications“ ein Forschungsergebnis mit dem Titel „Multilevel design and construction in nanomembrane rolling for three-dimensional angle-sensitive photodetection“.In dieser Studie wurde eine mehrstufige quasistatische Methode zur Finite-Elemente-Analyse vorgeschlagen. Auf der Grundlage dieser Methode wurden sechs Arten von aus Silizium (Si)/Chrom (Cr)-Nanofilmen zusammengesetzten dreidimensionalen Mikrostrukturen und entsprechende dreidimensionale Fotodetektoren entworfen und konstruiert.Die gute Vielseitigkeit und industrielle Umsetzbarkeit dieser Technologie ist umfassend nachgewiesen.

Forschungshighlights:

• Die mehrstufige quasistatische Finite-Elemente-Methode wird erfolgreich auf eine große Bandbreite von Materialsystemen, Nanofilmdicken, Mustertypen und Mustergrößen angewendet und zeigt eine gute Vielseitigkeit.
• Auf Grundlage des Finite-Elemente-Modells gelang es, eine großflächige, ertragreiche und hocheinheitliche dreidimensionale konfigurierbare Struktur zu erzielen.
• Es wurde eine Reihe dreidimensional strukturierter Fotodetektoren entwickelt, die den Winkel einfallenden Lichts mit einer Genauigkeit von 10° erfassen können. Dies demonstriert ihr Potenzial für die Herstellung elektronischer und optoelektronischer Geräte.

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

Freisetzung eines vorgespannten zweischichtigen Nanofilms

Das Forschungsteam hat ein Standardmodell zur Freisetzung von Nanomembranen entwickelt.Es besteht aus einer rechteckigen Nanomembran mit der Breite W, der Länge L und einem Dehnungsgradienten in der Ebene, einer Opferschicht und einem Substrat. Dieser Prozess soll die effiziente Verarbeitung und Anwendung von nanostrukturierten dreidimensionalen Geräten gewährleisten. Gleichzeitig müssen auch mehr Einflussfaktoren offengelegt werden, die bei der Finite-Elemente-Modellierung berücksichtigt werden müssen.

Abbildung b zeigt den Freigabevorgang der vorgespannten Doppelschicht-Nanomembran mit fixiertem Rand. Abbildung c zeigt außerdem den Nassätzenprozess der Opferschicht. Das Ätzmittel diffundiert aus der flüssigen Phase zur Fest-Flüssig-Grenzfläche und reagiert chemisch mit der Opferschicht an der Grenzfläche.

Mehrstufige quasistatische Finite-Elemente-Analysemethode hilft

Das Forschungsteam verwendete das Softwarepaket COMSOL Multiphyics, um ein mehrfeldgekoppeltes Finite-Elemente-Modell zur Simulation des Ätzprozesses innerhalb der Opferschicht zu erstellen. Dabei wurde eine zunächst fixierte Doppelschicht mit eingeschränkter Struktur verwendet, um den unveröffentlichten Zustand zu simulieren.

Unter Berücksichtigung des Ätzmittelflusses und der Randbewegung des Ätzsystems führte das Forschungsteam das Ficksche Gesetz, die Navier-Stokes-Gleichung und das Flüssig-Feststoff-Reaktionsmodell ein, um ein Finite-Elemente-Modell zu erstellen:

Dabei ist c die Ätzmittelkonzentration, u die Ätzmittelfließgeschwindigkeit, D der Diffusionskoeffizient, k der Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizient, n der Normalvektor, ρ die Dichte, μ der dynamische Viskositätskoeffizient, v die normale Maschengeschwindigkeit und M die Molmasse.

In der Studie wurde der Einfluss verschiedener Parameter diskutiert.Es wurde festgestellt, dass die Beziehung zwischen Ätzmittelkonzentration und Reaktionsrate vom Diffusionsgleichgewicht und dem chemischen Reaktionsprozess abhängt.

Der gesamte dynamische Freisetzungsprozess der doppelschichtigen Nanomembran besteht aus einer Reihe analytischer Schritte, die in chronologischer Reihenfolge ausgeführt werden. Abbildung b oben zeigt die geometrischen Merkmale der Randänderungen, die aus der vorherigen Simulation in Koordinatenform erhalten wurden, mit der Anzahl der Knoten i = 1, 2, … für die Merkmalsaufteilung entlang der Dickenrichtung der Si/Cr-Doppelschicht. Durch geometrische Partitionierung werden die Grenzen zu mehreren diskreten Zeitpunkten in Randbedingungen unterteilt. Im Schritt der elastischen Mechanikanalyse werden die Randbedingungen als eine Reihe von Einschränkungen in zeitlicher Abfolge festgelegt, um die kontinuierliche Freigabe der Nanomembran zu erreichen, wie in c in der obigen Abbildung dargestellt.

Aufgrund der asymmetrischen Randbedingungen der einseitig fixierten doppelschichtigen Nanomembranstruktur, des komplexen tatsächlichen Freigabeprozesses und der großen geometrischen Verformung kann der Strukturentwurf unter Verwendung der großen Störungsgleichung der elastischen dünnen Platte den Prozess nicht genau widerspiegeln. Wenn man nur die Freisetzung der Nanofilme von gegenüberliegenden Kanten betrachtet, kann die dreidimensionale Anordnung nur eine röhrenförmige Struktur aufweisen.Die Simulationsergebnisse des doppelschichtigen Nanofilms zeigten eine höhere Genauigkeit und stellten erfolgreich die mit der Breite variierende Morphologie dar.(Wie in d in der Abbildung oben gezeigt).

Die Ergebnisse der quasistatischen Finite-Elemente-Analyse zeigen, dass die Ätzbahn der Opferschicht eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Freigabe der doppelschichtigen Nanomembran spielt. Gleichzeitig entwarf das Forschungsteam neben dem rechteckigen Muster aus Silizium (Si)/Chrom (Cr) mithilfe eines mehrschichtigen Finite-Elemente-Modells auch verschiedene andere Mustertypen, beispielsweise halbkreisförmige, dreieckige und parallelogrammförmige Muster. Die Methode demonstrierte außerdem eine skalenübergreifende Kompatibilität von Modellen im Hundert-Nanometer-Maßstab bis hin zum Hundert-Mikrometer-Maßstab.

Tiefe neuronale Netzwerke zeigen ihre Leistungsfähigkeit und bringen Innovation in die 3D-Winkellichterkennung

Das Forschungsteam wählte das Si/Cr-Doppelschicht-Nanofilmsystem zur Überprüfung des Designmodells, da Cr eine große Vorspannung einführen kann und Si das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial ist. Der experimentelle Ablauf ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Ein mehrstufiger Designansatz auf Basis von Finite-Elemente-Ätzen und elastischer Mechanikmodellierung ermöglicht die dreidimensionale Montage vorgespannter Nanomembranen und bietet durch Dehnungstechnik neue Möglichkeiten für zukunftsweisendes Gerätedesign. Das Forschungsteam führte schließlich eine breite Palette von Lichteinfallswinkelmessungen an Fotodetektoren unterschiedlicher Formen durch.Die Ergebnisse zeigen die Empfindlichkeit der photoelektrischen Kopplung in dreidimensionalen Konfigurationen und können erweitert und verwendet werden, um die Funktionalisierung dreidimensional zusammengesetzter elektronischer Nanomembrangeräte zu realisieren.Wie in der Abbildung unten gezeigt.

Das Forschungsteam entwickelte einen halbkugelförmigen omnidirektionalen Lichteinfallsregler, der aus einer transparenten PMMA-Hülle und einem Glasfaser-Schnittstellenarray besteht.Der Laser kann in einem bestimmten Winkel durch eine Schnittstelle einfallen, die mit den entsprechenden Koordinaten der Kugeloberfläche verbunden ist, wie in Abbildung c oben gezeigt, und die Koordinaten (θ, φ) werden festgelegt.

Der vorbereitete Si/Cr-Fotodetektor wird dann auf einer Plattform auf derselben Höhe wie die Unterseite des Einlicht-Controllers platziert und der Controller wird kalibriert, um sicherzustellen, dass die Projektionskoordinaten des (90°, 0°) Eingangslaseranschlusses auf der YZ-Ebene mit der Mitte des Fotodetektors ausgerichtet sind (wie in den Abbildungen a und b oben gezeigt). Schließlich werden die gesammelten Lichterkennungsdaten zur Einfallswinkelanalyse in das tiefe neuronale Netzwerk importiert (siehe Abbildung c oben).

Insbesondere weist der Si/Cr-Fotodetektor eine maximale Empfindlichkeit von 60 mA/W, eine Reaktionszeit von 100 bis 700 μs und eine externe Quanteneffizienz von 7 – 12 % auf, wodurch er effektiv auf einfallendes Licht von 520 nm reagieren kann, um eine Fotodetektion zu erreichen, wie in der Abbildung oben gezeigt.

Nachdem das Team die Fotoreaktion auf Lichteinfall von verschiedenen Koordinaten gemessen hatte, normalisierte es den Fotostrom an jeder Koordinate und klassifizierte ihn nach Strukturtyp. Gleichzeitig wird, um einen intuitiven Datenvergleich zu ermöglichen, der normalisierte Fotostrom jeder Struktur durch den Fotocontroller auf die YZ-Ebene projiziert. Das Forschungsteam hat außerdem sphärische Koordinaten erstellt, die durch θ und φ dargestellt werden, um die Position des einfallenden Lichts auf der Projektionskugel zu bestimmen.

Die Ergebnisse zeigen, dass der unveröffentlichte planare Si/Cr-Fotodetektor (f in der obigen Abbildung), der Ring-Fotodetektor (g in der obigen Abbildung), der Bogen-Fotodetektor (h in der obigen Abbildung), der Helix-Fotodetektor (i in der obigen Abbildung), der konische Fotodetektor (j in der obigen Abbildung) und der röhrenförmige Fotodetektor (k in der obigen Abbildung) unterschiedliche Ergebnisse bei der Einfallswinkelerkennung zeigen.

Im Vergleich zum noch nicht veröffentlichten planaren Si/Cr-Fotodetektor weisen die ringförmigen und röhrenförmigen Fotodetektoren einen größeren Erfassungswinkel für hohe Fotoströme auf, was bestätigt, dass die dreidimensionale Mikrostruktur die anisotrope Erfassung von einfallendem Licht begünstigt. Im Vergleich zur Ringstruktur weist der röhrenförmige Fotodetektor eine bessere Stabilität bei der Weitwinkelerkennung auf.

Basierend auf den Unterschieden in der Einfallswinkelerkennung der Strukturen in den obigen Experimenten,Das Forschungsteam verwendete tiefe neuronale Netzwerke, um ein winkelempfindliches Detektionsmodell basierend auf Fotodetektoren mit unterschiedlichen Strukturen zu erstellen.

Das Forschungsteam sammelte Daten von 275 Einfallspunkten für jeden Fotodetektor in den Abbildungen f–k und erstellte eine dreidimensionale Datenbank zur fotoelektrischen Reaktion des einfallenden Lichts. Durch die Verwendung tiefer neuronaler Netzwerke zum Trainieren von Längen- und Breitengrad-Datensätzen erreichten wir Genauigkeiten von 95% bzw. 78% (l in der Abbildung oben).Basierend auf der oben genannten Technologie kann die Genauigkeit von 83% und 71% bei der Erkennung von Längen- und Breitengrad der einfallenden Lichtrichtung erreicht werden.Die Winkelauflösung des einfallenden Lichts erreicht ~10° und sein Winkelvorhersagegewicht ist signifikant, wie in Abbildung n oben zu sehen ist.

Der dreidimensionale Lichtdetektor in Kombination mit einem tiefen neuronalen Netzwerk und einer Nanofilmanordnung ermöglicht eine hochpräzise Vorhersage des einfallenden Lichtwinkels.Diese Technologie hat wertvolles Anwendungspotenzial in tragbaren Geräten, intelligenten Möbeln und intelligenten Fahrsystemen gezeigt.

Junge Talente sind voller Energie und Vitalität, und mikroelektronische Geräte begrüßen neue Entwicklungen

Die Co-Erstautoren dieses Artikels sind der Doktorand Zhang Ziyu und Dr. Wu Binmin.Zhang Ziyu ist Doktorand im Jahr 2021 in der Abteilung für Materialwissenschaften der Fudan-Universität. Als Erst-/Co-Erstautor hat er 3 Artikel und Monographiekapitel in Zeitschriften wie Nature Communications und Advanced Materials veröffentlicht, an der Veröffentlichung von 9 Artikeln und Monographiekapiteln teilgenommen und 2 chinesische Erfindungspatente angemeldet.

Es ist erwähnenswert, dass Zhang Ziyu zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieser Forschungsergebnisse auch erfolgreich in die erste Gruppe der Förderliste für das Grundlagenforschungsprojekt junger Studenten (Doktoranden) der National Natural Science Foundation aufgenommen wurde.

Auch Wu Binmin erzielte großartige Ergebnisse. Vor einigen Monaten veröffentlichte Wu Binmin als Erstautor einen Artikel mit dem Titel „One-step rolling fabrication of VO2 tubular bolometers with polarization-sensitive and omnidirectional detection“ in „Science Advances“. Das Forschungsteam untersuchte und entdeckte, dass der röhrenförmige Nanofilm auf dem Chip eine hervorragende Wärmedämmung und Lichteinfangwirkung besitzt.

Diese Forschung ist nicht die erste Zusammenarbeit zwischen Zhang Ziyu und Wu Binmin. Anfang des Jahres veröffentlichten die beiden als Co-Erstautoren einen Artikel mit dem Titel „Self-rolled-up ultrathin single-crystalline silicon nanomembranes for on-chip tubular polarization photodetectors“ in „Advanced Materials“.Der Schwerpunkt dieser Forschung liegt auf selbstkräuselnden Polarisationsfotodetektoren aus einkristallinem Silizium-Nanofilm.

Neben den herausragenden Autoren verdienen auch die Fortschritte bei zweidimensionalen Nanomaterialien Beachtung. Besonders in der heutigen Welt, in der Geräte immer miniaturisierter und intelligenter werden, haben elektrische Geräte, die komplexe dreidimensionale Strukturen im Nano- und Mikromaßstab aufbauen, die Aufmerksamkeit großer Labore auf der ganzen Welt auf sich gezogen.

Die renommierte Fachzeitschrift Nature Communications hat zahlreiche Forschungsergebnisse zu diesem Aspekt zusammengestellt. So haben beispielsweise Felix Gabler et al. bereits 2019 veröffentlichte ein Forschungsergebnis mit dem Titel „Magnetisches Origami schafft leistungsstarke Mikrogeräte“, in dem eine alternative Methode zum Zusammenbau von Nanofilmen mit hohem Aspektverhältnis in Mikroelektronik erwähnt wurde.Der Chipherstellungsprozess kann verbessert werden, indem die Montage durch den Einfluss externer Magnetfelder ferngesteuert unterstützt wird.
Link zum Artikel:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10947-x

Die jüngste Zusammenarbeit zwischen Zhang Ziyu und Wu Binmin kombiniert tiefe neuronale Netzwerke und Nanofilme, um dreidimensionale Lichtdetektoren zusammenzubauen und so eine genaue Analyse des Einfallswinkels des Lichts zu erreichen. Durch die Integration fortschrittlicher KI beschleunigt es den Beginn der More-than-Moore-Ära und fördert die Weiterentwicklung optoelektronischer Anwendungen.