La Microélectronique Accélère Son Chemin Vers L’ère Post-moore ! Le Groupe De Recherche De Mei Yongfeng À L'université Fudan Intègre La Technologie DNN Et Nanofilm Pour Analyser Avec Précision L'angle De La Lumière Incidente

« L'auto-assemblage de nanomembranes bidimensionnelles en microstructures tridimensionnelles » est considéré comme un moyen important de fabriquer des dispositifs microélectroniques de nouvelle génération, ce qui est crucial pour les futures applications électroniques et optoélectroniques avancées. Cependant, la formation de la forme géométrique finale de la nanomembrane bidimensionnelle est affectée par la trajectoire de gravure, la réaction chimique, le rapport hauteur/largeur et d'autres facteurs complexes, ce qui rend difficile l'amélioration du rendement du produit et du taux de produit fini pendant le processus de fabrication des dispositifs auto-assemblés, entravant sérieusement sa véritable transition du laboratoire à l'application industrielle.

Afin de prédire avec précision la morphologie et de fournir des conseils de conception pour les structures nanomembranaires précontraintes, les scientifiques ont conçu et développé de nombreuses méthodes analytiques et numériques au cours d'un siècle. dans,La modélisation par éléments finis (FEM) peut simuler et prédire de manière intuitive le comportement des nanofilms après leur libération.Ces dernières années, il a été utilisé par les chercheurs pour étudier et simuler le processus d’auto-enroulement des nanofilms. Cependant, à en juger par les résultats, la plupart des expériences se contentent uniquement de la formation de structures spécifiques ou d’une analyse locale, et manquent encore d’une large applicabilité et de modèles précis de conditions limites.

En réponse à cela, le groupe de recherche du professeur Mei Yongfeng du département des sciences des matériaux de l'université de Fudan a récemment publié un résultat de recherche intitulé « Conception et construction à plusieurs niveaux dans le laminage de nanomembranes pour la photodétection tridimensionnelle sensible à l'angle » dans « Nature Communications ».Cette étude a proposé une méthode d'analyse par éléments finis quasi-statique à plusieurs niveaux et, sur la base de cette méthode, a conçu et construit six types de microstructures tridimensionnelles assemblées de nanofilms de silicium (Si) / chrome (Cr) et des photodétecteurs tridimensionnels correspondants.La bonne polyvalence et la praticabilité industrielle de cette technologie ont été pleinement vérifiées.

Points saillants de la recherche :

• La méthode des éléments finis quasi-statiques à plusieurs niveaux est appliquée avec succès à une large gamme de systèmes de matériaux, d'épaisseurs de nanofilms, de types de motifs et de tailles de motifs, montrant une bonne polyvalence.
• Sur la base du modèle d'éléments finis, une structure configurable tridimensionnelle à grande échelle, à haut rendement et à haute uniformité a été réalisée avec succès.
• Une série de photodétecteurs structurés tridimensionnels a été développée pour détecter l'angle de la lumière incidente avec une précision de 10°, démontrant leur potentiel pour la fabrication de dispositifs électroniques et optoélectroniques.

Adresse du document :
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47405-2

Libération d'un nanofilm bicouche précontraint

L’équipe de recherche a établi un modèle standard de libération de nanomembrane de contrainte.Il se compose d'une nanomembrane rectangulaire de largeur W, de longueur L et de gradient de contrainte dans le plan, d'une couche sacrificielle et d'un substrat. Ce procédé est conçu pour garantir le traitement et l’application efficaces de dispositifs tridimensionnels nano-auto-assemblés. Dans le même temps, il est également nécessaire d’exposer davantage de facteurs d’influence qui doivent être pris en compte dans la modélisation par éléments finis.

La figure b montre le processus de libération de la nanomembrane à double couche précontrainte à bord fixe. La figure c révèle en outre le processus de gravure humide de la couche sacrificielle. Le produit de gravure diffuse de la phase liquide vers l'interface solide-liquide et réagit chimiquement avec la couche sacrificielle à l'interface.

La méthode d'analyse par éléments finis quasi-statiques à plusieurs niveaux aide

L'équipe de recherche a utilisé le progiciel COMSOL Multiphyics pour établir un modèle d'éléments finis couplés multi-champs afin de simuler le processus de gravure au sein de la couche sacrificielle, en utilisant une bicouche fixe initiale contrainte pour simuler l'état non libéré.

Compte tenu du flux de gravure et du mouvement aux limites du système de gravure, l'équipe de recherche a introduit la loi de Fick, l'équation de Navier-Stokes et le modèle de réaction liquide-solide pour établir un modèle par éléments finis :

Où c est la concentration de l'agent de gravure, u est la vitesse d'écoulement de l'agent de gravure, D est le coefficient de diffusion, k est le coefficient de vitesse de réaction, n est le vecteur normal, ρ est la densité, μ est le coefficient de viscosité dynamique, v est la vitesse normale du maillage et M est la masse molaire.

L’étude a discuté de l’influence de divers paramètres.Il a été déterminé que la relation entre la concentration de l'agent de gravure et la vitesse de réaction dépend de l'équilibre de diffusion et du processus de réaction chimique.

L’ensemble du processus de libération dynamique de la nanomembrane à double couche est une série d’étapes analytiques réalisées dans l’ordre chronologique. La figure b ci-dessus montre les caractéristiques géométriques des changements de limites obtenus à partir de la simulation précédente sous forme de coordonnées, avec le nombre de nœuds i = 1, 2, … pour la division des caractéristiques le long de la direction de l'épaisseur de la double couche Si/Cr. Grâce au partitionnement géométrique, les limites à plusieurs moments discrets sont divisées en conditions limites. Dans l'étape d'analyse de la mécanique élastique, les conditions aux limites sont définies comme une série de contraintes dans une séquence temporelle pour obtenir la libération continue de la nanomembrane, comme indiqué en c dans la figure ci-dessus.

En raison des conditions limites asymétriques de la structure de la nanomembrane à double couche fixe à extrémité unique, du processus de libération réel complexe et de la grande déformation géométrique, la conception structurelle utilisant l'équation de grande perturbation de la plaque mince élastique ne peut pas refléter avec précision le processus. En considérant uniquement la libération des nanofilms à partir des bords opposés, l'assemblage tridimensionnel ne peut présenter qu'une structure tubulaire.Les résultats de la simulation du nanofilm à double couche ont montré une meilleure précision et ont affiché avec succès la morphologie qui varie avec la largeur.(Comme indiqué en d dans la figure ci-dessus).

Les résultats de l’analyse par éléments finis quasi-statique démontrent que la trajectoire de gravure de la couche sacrificielle joue un rôle crucial dans la régulation de la libération de la nanomembrane à double couche. Parallèlement, en plus du motif rectangulaire en silicium (Si)/chrome (Cr), l'équipe de recherche a également conçu divers types de motifs tels que des motifs semi-circulaires, triangulaires et en parallélogramme à l'aide d'un modèle d'éléments finis multicouche. La méthode a également démontré une compatibilité inter-échelles, des modèles à l’échelle de cent nanomètres à l’échelle de cent micromètres.

Les réseaux neuronaux profonds montrent leurs prouesses, apportant de l'innovation à la détection de lumière angulaire 3D

L'équipe de recherche a sélectionné le système de nanofilm à double couche Si/Cr pour vérifier le modèle de conception, car le Cr peut introduire une précontrainte importante et le Si est le matériau semi-conducteur le plus largement utilisé. Le processus expérimental est illustré dans la figure ci-dessous.

Une approche de conception multiniveau basée sur la gravure par éléments finis et la modélisation de la mécanique élastique permet l'assemblage tridimensionnel de nanomembranes précontraintes, offrant de nouvelles opportunités pour la conception de dispositifs tournés vers l'avenir grâce à l'ingénierie des contraintes. L'équipe de recherche a finalement réalisé une large gamme de détection d'angle de lumière incidente sur des photodétecteurs de différentes formes.Les résultats montrent la sensibilité du couplage photoélectrique dans des configurations tridimensionnelles et peuvent être étendus et utilisés pour réaliser la fonctionnalisation de dispositifs électroniques nanomembranaires assemblés en trois dimensions.Comme le montre la figure ci-dessous.

L'équipe de recherche a conçu un contrôleur de lumière incidente omnidirectionnel hémisphérique composé d'une coque en PMMA transparente et d'un réseau d'interfaces à fibres optiques.Le laser peut être incident à un angle spécifique via une interface connectée aux coordonnées correspondantes de la surface sphérique, comme illustré dans la figure c ci-dessus, et les coordonnées (θ, φ) sont définies.

Le photodétecteur Si/Cr préparé est ensuite placé sur une plate-forme à la même hauteur que le bas du contrôleur de lumière incidente, et le contrôleur est calibré pour garantir que les coordonnées de projection du port laser d'entrée (90°, 0°) sur le plan YZ sont alignées avec le centre du photodétecteur (comme indiqué dans les figures a et b ci-dessus). Enfin, les données de détection de lumière collectées sont importées dans le réseau neuronal profond pour l'analyse de l'angle d'incidence (comme illustré dans la figure c ci-dessus).

Plus précisément, le photodétecteur Si/Cr a une réactivité maximale de 60 mA/W, un temps de réponse de 100 à 700 μs et une efficacité quantique externe de 7 à 12 %, qui peut répondre efficacement à une lumière incidente de 520 nm pour réaliser une photodétection, comme le montre la figure ci-dessus.

Après avoir mesuré la photoréponse à la lumière incidente à partir de différentes coordonnées, l’équipe a normalisé le photocourant à chaque coordonnée et l’a classé par type de structure. Parallèlement, afin de faciliter la comparaison intuitive des données, le photocourant normalisé de chaque structure sera projeté sur le plan YZ via le photocontrôleur. L’équipe de recherche a également établi des coordonnées sphériques représentées par θ et φ pour aider à identifier la position de la lumière incidente sur la sphère de projection.

Les résultats montrent que le photodétecteur planaire Si/Cr non publié (f dans la figure ci-dessus), le photodétecteur annulaire (g dans la figure ci-dessus), le photodétecteur en arc (h dans la figure ci-dessus), le photodétecteur en hélice (i dans la figure ci-dessus), le photodétecteur conique (j dans la figure ci-dessus) et le photodétecteur tubulaire (k dans la figure ci-dessus) montrent des résultats différents pour la détection de l'angle incident.

Parmi eux, par rapport au photodétecteur planaire Si/Cr non commercialisé, les photodétecteurs annulaires et tubulaires ont un angle de détection de photocourant élevé plus large, confirmant que la microstructure tridimensionnelle est propice à la détection anisotrope de la lumière incidente. Par rapport à la structure annulaire, le photodétecteur tubulaire présente une meilleure stabilité dans la détection grand angle.

Ensuite, sur la base des différences dans la détection de l’angle d’incidence des structures dans les expériences ci-dessus,L’équipe de recherche a utilisé des réseaux neuronaux profonds pour établir un modèle de détection sensible à l’angle basé sur des photodétecteurs avec différentes structures.

L'équipe de recherche a collecté des données à partir de 275 points incidents pour chaque photodétecteur dans les figures f à k et a construit une base de données de réponse photoélectrique tridimensionnelle de la lumière incidente. En utilisant des réseaux neuronaux profonds pour former des ensembles de données de longitude et de latitude, nous avons obtenu des précisions de 95% et 78% respectivement (l dans la figure ci-dessus).Sur la base de la technologie ci-dessus, la précision du 83% et du 71% peut être obtenue dans la détection de la longitude et de la latitude de la direction de la lumière incidente, respectivement.La résolution de l'angle de lumière incidente atteint environ 10° et son poids de prédiction d'angle est significatif comme on peut le voir dans la figure n ci-dessus.

Le détecteur de lumière tridimensionnel combiné à un réseau neuronal profond et à un assemblage de nanofilms peut permettre une prédiction de haute précision de l'angle de lumière incidente.Cette technologie a montré un potentiel d’application précieux dans les appareils portables, les meubles intelligents et les systèmes de conduite intelligents.

Les jeunes talents sont pleins de vigueur et de vitalité, et les dispositifs microélectroniques accueillent de nouveaux développements

Les co-premiers auteurs de cet article sont l'étudiant au doctorat Zhang Ziyu et le Dr Wu Binmin.Zhang Ziyu est doctorant 2021 au Département de science des matériaux de l'Université de Fudan. En tant que premier/co-premier auteur, il a publié 3 articles et chapitres de monographie dans des revues telles que Nature Communications et Advanced Materials, a participé à la publication de 9 articles et chapitres de monographie et a déposé 2 brevets d'invention chinois.

Il convient de mentionner qu'au moment de la publication des résultats de cette recherche, Zhang Ziyu a également été sélectionné avec succès dans la première liste de financement du projet de recherche fondamentale pour jeunes étudiants de la Fondation nationale des sciences naturelles (doctorants).

Wu Binmin a également obtenu d’excellents résultats. Il y a quelques mois, Wu Binmin a publié un article intitulé « Fabrication par laminage en une étape de bolomètres tubulaires VO2 avec détection sensible à la polarisation et omnidirectionnelle » dans « Science Advances » en tant que premier auteur. L'équipe de recherche a exploré et découvert que le nanofilm tubulaire sur puce présente d'excellentes propriétés d'isolation thermique et de piégeage de la lumière.

Cette recherche n’est pas la première collaboration entre Zhang Ziyu et Wu Binmin. Plus tôt cette année, les deux ont publié un article intitulé « Nanomembranes de silicium monocristallin ultraminces auto-enroulées pour photodétecteurs de polarisation tubulaires sur puce » dans « Advanced Materials » en tant que co-premiers auteurs.Cette recherche porte sur les photodétecteurs de polarisation à nanofilm de silicium monocristallin auto-enroulable.

Outre les auteurs remarquables, les progrès des nanomatériaux bidimensionnels méritent également l’attention. Surtout dans le monde d’aujourd’hui où les appareils deviennent miniaturisés et intelligents, les appareils électriques qui construisent des structures tridimensionnelles complexes à l’échelle nano et micro ont attiré l’attention des principaux laboratoires du monde entier.

La revue faisant autorité Nature Communications a rassemblé un certain nombre de résultats de recherche liés à cet aspect. Par exemple, dès 2019, Felix Gabler et al. a publié un résultat de recherche intitulé « L'origami magnétique crée des micro-dispositifs hautes performances », qui mentionnait une méthode alternative pour assembler des nanofilms à rapport hauteur/largeur élevé en microélectronique.Le processus de fabrication des puces peut être amélioré en assistant à distance leur assemblage grâce à l’influence de champs magnétiques externes.
Lien vers l'article :https://www.nature.com/articles/s41467-019-10947-x

La dernière collaboration entre Zhang Ziyu et Wu Binmin combine des réseaux neuronaux profonds et des nanofilms pour assembler des détecteurs de lumière tridimensionnels afin de réaliser une analyse précise de l'angle de la lumière incidente. En intégrant une IA avancée, elle accélère l’arrivée de l’ère More-than-Moore et favorise le développement avancé des applications optoélectroniques.