마이크로전자공학은 무어 이후 시대로 빠르게 발전하고 있습니다! 복단대 메이융펑 연구팀, DNN과 나노필름 기술 통합해 입사광 각도 정확하게 분석

"2차원 나노막을 3차원 미세 구조로 자가 조립하는 것"은 차세대 마이크로 전자 장치를 제조하는 중요한 방법으로 여겨지며, 이는 앞으로의 첨단 전자 및 광전자 응용 분야에 필수적입니다. 그러나 2차원 나노막의 최종 기하학적 모양 형성은 에칭 궤적, 화학 반응, 종횡비 및 기타 복잡한 요인의 영향을 받아 자체 조립 소자의 제조 과정에서 제품 수율과 완제품 생산 속도를 개선하기 어려워 실험실 수준에서 산업 응용 분야로의 진정한 전환이 심각하게 방해를 받습니다.

과학자들은 사전 변형된 나노막 구조의 형태를 정확하게 예측하고 설계 지침을 제공하기 위해 1세기 이상에 걸쳐 많은 분석적, 수치적 방법을 설계하고 개발해 왔습니다. 안에,유한 요소 모델링(FEM)을 사용하면 나노필름이 방출된 후의 동작을 직관적으로 시뮬레이션하고 예측할 수 있습니다.최근 몇 년 동안 연구자들은 나노필름의 자체 롤링 과정을 연구하고 시뮬레이션하는 데 이를 사용해 왔습니다. 그러나 결과를 살펴보면, 대부분의 실험은 특정 구조 형성이나 국소적 분석에만 만족하고 있으며, 폭넓은 적용성과 정확한 경계 조건 모델이 아직 부족합니다.

이에 대해 복단대학교 재료과학과 메이융펑 교수 연구팀은 최근 "3차원 각도 민감 광검출을 위한 나노막 롤링의 다단계 설계 및 구축"이라는 제목의 연구 결과를 "Nature Communications"에 게재했습니다.본 연구에서는 다단계 준정적 유한요소 해석방법을 제안하고, 이 방법을 기반으로 6가지 유형의 실리콘(Si)/크롬(Cr) 나노필름 조립 3차원 미세구조와 이에 대응하는 3차원 광검출기를 설계 및 제작하였다.이 기술의 뛰어난 다용성과 산업적 실용성은 이미 완벽하게 검증되었습니다.

연구 하이라이트:

• 다중 레벨 준정적 유한 요소법은 광범위한 재료 시스템, 나노필름 두께, 패턴 유형 및 패턴 크기에 성공적으로 적용되어 뛰어난 다용성을 보여줍니다.
• 유한요소 모델을 기반으로 대규모, 고수율, 고균일성의 3차원 구성 가능 구조를 성공적으로 구현했습니다.
• 10°의 정확도로 입사광 각도를 감지하는 일련의 3차원 구조 광검출기가 개발되어 전자 및 광전자 장치 제작에 활용할 수 있는 잠재력이 입증되었습니다.

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

사전 변형된 이중층 나노필름의 방출

연구팀은 표준 균주 나노막 방출 모델을 확립했습니다.이는 폭 W, 길이 L, 평면 내 변형률 구배를 갖는 직사각형 나노막, 희생층 및 기질로 구성됩니다. 이 공정은 나노 자가 조립 3차원 장치의 효율적인 처리 및 적용을 보장하도록 설계되었습니다. 동시에, 유한 요소 모델링에서 고려해야 할 더 많은 영향 요인을 밝혀낼 필요도 있습니다.

그림 b는 고정된 모서리가 미리 변형된 이중층 나노멤브레인의 방출 과정을 보여줍니다. 그림 c는 희생층의 습식 에칭 과정을 더욱 자세히 보여줍니다. 에칭제는 액상에서 고체-액체 계면으로 확산되고 계면에 있는 희생층과 화학 반응을 일으킵니다.

다단계 준정적 유한 요소 분석 방법은 다음과 같습니다.

연구팀은 COMSOL Multiphyics 소프트웨어 패키지를 사용해 희생층 내부의 에칭 과정을 시뮬레이션하기 위한 다중필드 결합 유한요소 모델을 확립하고, 제약이 있는 초기 고정 이중층을 사용해 방출되지 않은 상태를 시뮬레이션했습니다.

연구팀은 에칭액의 흐름과 에칭계의 경계 운동을 고려하여 픽의 법칙, 나비에-스토크스 방정식, 액체-고체 반응 모델을 도입하여 유한요소 모델을 수립했다.

여기서 c는 에칭제 농도, u는 에칭제 흐름 속도, D는 확산 계수, k는 반응 속도 계수, n은 법선 벡터, ρ는 밀도, μ는 동점성 계수, v는 법선 메시 속도, M은 몰 질량입니다.

이 연구에서는 다양한 매개변수의 영향에 대해 논의했습니다.에칭제 농도와 반응 속도 사이의 관계는 확산 평형과 화학 반응 과정에 따라 달라진다는 것이 밝혀졌습니다.

이중층 나노막의 동적 방출 과정 전체는 연대순으로 수행되는 일련의 분석 단계입니다. 위의 그림 b는 Si/Cr 이중층의 두께 방향을 따라 특징을 분할하기 위한 노드 수 i = 1, 2, …를 사용하여 좌표 형태로 이전 시뮬레이션에서 얻은 경계 변화의 기하학적 특징을 보여줍니다. 기하학적 분할을 통해 여러 개의 개별 시간 지점의 경계가 경계 조건으로 나뉩니다. 탄성 역학 해석 단계에서 경계 조건은 위 그림의 c에 표시된 것처럼 나노막의 연속적인 방출을 달성하기 위해 시간 순서대로 일련의 제약 조건으로 설정됩니다.

단일단 고정 이중층 나노막 구조의 비대칭 경계조건, 복잡한 실제 방출 과정 및 큰 기하학적 변형으로 인해 탄성 박판의 대섭동 방정식을 이용한 구조 설계는 과정을 정확하게 반영할 수 없습니다. 나노필름이 반대쪽 가장자리에서 떨어지는 것만 고려한다면, 3차원 조립은 관형 구조만 나타낼 수 있습니다.이중층 나노필름의 시뮬레이션 결과는 더 나은 정확도를 보였고, 폭에 따라 달라지는 형태를 성공적으로 보여주었습니다.(위 그림의 d에 표시된 대로).

준정적 유한 요소 해석 결과는 희생층의 에칭 궤적이 이중층 나노막의 방출을 조절하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여줍니다. 동시에 연구팀은 실리콘(Si)/크롬(Cr) 직사각형 패턴 외에도 다층 유한요소모델을 이용해 반원형, 삼각형, 평행사변형 등 다양한 형태의 패턴을 설계했다. 이 방법은 또한 수백 나노미터 규모에서 수백 마이크로미터 규모까지의 모델 간 호환성을 보여주었습니다.

딥 신경망은 3D 각도 광 감지에 혁신을 가져오며 그 능력을 보여줍니다.

연구팀은 설계 모델을 검증하기 위해 Si/Cr 이중층 나노필름 시스템을 선택했습니다. Cr은 큰 사전 변형을 유발할 수 있고 Si는 가장 널리 사용되는 반도체 재료이기 때문입니다. 실험 과정은 아래 그림과 같습니다.

유한 요소 에칭과 탄성 역학 모델링을 기반으로 한 다단계 설계 접근 방식은 사전 변형된 나노막의 3차원 조립을 가능하게 하여 변형 엔지니어링을 통해 미래 지향적인 장치 설계에 대한 새로운 기회를 제공합니다. 연구팀은 마침내 다양한 모양의 광검출기를 이용해 광범위한 입사광 각도 감지를 실시했습니다.연구 결과는 3차원 구성에서 광전 결합의 민감성을 보여주며, 이를 확장하여 3차원으로 조립된 나노막 전자소자의 기능화를 실현하는 데 사용할 수 있습니다.아래 그림과 같습니다.

연구팀은 투명한 PMMA 쉘과 광섬유 인터페이스 어레이로 구성된 반구형 전방향 입사광 컨트롤러를 설계했습니다.레이저는 위의 그림 c에 표시된 것처럼 구면 표면의 해당 좌표에 연결된 인터페이스를 통해 특정 각도로 입사할 수 있으며, 좌표(θ, φ)가 설정됩니다.

준비된 Si/Cr 광검출기는 입사광 컨트롤러의 바닥과 같은 높이의 플랫폼에 배치되고, 컨트롤러는 YZ 평면에서 (90°, 0°) 입력 레이저 포트의 투영 좌표가 광검출기의 중심과 정렬되도록 보정됩니다(위의 그림 a 및 b 참조). 마지막으로, 수집된 빛 감지 데이터는 입사각 분석을 위해 딥 신경망으로 가져옵니다(위의 그림 c 참조).

구체적으로, Si/Cr 광검출기는 최대 응답성이 60mA/W이고, 응답 시간이 100 ~700 μs이며, 외부 양자 효율이 7 ~ 12 %로, 위 그림에서 볼 수 있듯이 520 nm의 입사광에 효과적으로 응답하여 광검출을 달성할 수 있습니다.

연구팀은 다양한 좌표에서 입사되는 빛에 대한 광응답을 측정한 후, 각 좌표에서의 광전류를 정규화하고 구조 유형별로 분류했습니다. 동시에, 데이터의 직관적인 비교를 용이하게 하기 위해, 각 구조의 정규화된 광전류가 광제어기를 통해 YZ 평면에 투사됩니다. 연구팀은 또한 투영 구면에서 입사광의 위치를 식별하는 데 도움이 되는 θ와 φ로 표현되는 구면 좌표를 확립했습니다.

결과에 따르면, 출시되지 않은 Si/Cr 평면 광검출기(위 그림의 f), 링 광검출기(위 그림의 g), 아치형 광검출기(위 그림의 h), 나선형 광검출기(위 그림의 i), 테이퍼형 광검출기(위 그림의 j), 관형 광검출기(위 그림의 k)는 입사각 검출에 대해 서로 다른 결과를 보였습니다.

그 중, 출시되지 않은 Si/Cr 평면 광검출기와 비교했을 때, 환형 및 관형 광검출기는 더 넓은 고광전류 검출 각도를 가지고 있어 3차원 미세 구조가 입사광의 이방성 검출에 유리하다는 것을 확인했습니다. 링 구조와 비교했을 때, 관형 광검출기는 광각 검출에서 더 나은 안정성을 보여줍니다.

그리고, 상기 실험에서 구조물의 입사각 검출의 차이를 바탕으로,연구팀은 심층 신경망을 사용하여 다양한 구조의 광검출기를 기반으로 각도에 민감한 감지 모델을 구축했습니다.

연구팀은 그림 f-k에 나타난 각 광검출기의 275개 사고 지점에서 데이터를 수집하고 사고광의 3차원 광전 응답 데이터베이스를 구축했습니다. 심층 신경망을 사용하여 경도와 위도 데이터 세트를 훈련한 결과, 각각 95%와 78%의 정확도를 달성했습니다(위 그림의 l).위 기술을 기반으로 83%와 71%는 입사광 방향의 경도와 위도를 검출하는데 정확도를 달성할 수 있습니다.입사광 각도 분해능은 ~10°에 이르고, 각도 예측 가중치는 위 그림 n에서 볼 수 있듯이 상당합니다.

3차원 광 검출기와 딥 신경망, 나노필름 조립을 결합하면 입사광 각도를 고정밀도로 예측할 수 있습니다.이 기술은 웨어러블 기기, 스마트 가구, 스마트 주행 시스템 등에서 귀중한 응용 가능성을 보여주었습니다.

젊은 인재들은 활력과 활력으로 가득 차 있으며, 마이크로 전자 장치는 새로운 발전을 환영합니다.

이 논문의 공동 첫 번째 저자는 박사과정 학생인 장쯔위와 우빈민 박사입니다.Zhang Ziyu는 2021년 푸단대학교 재료과학과 박사과정 학생입니다. 그는 제1/공동 제1저자로서 Nature Communications, Advanced Materials 등의 저널에 3편의 논문과 단행본 장을 출판하였고, 9편의 논문과 단행본 장 출판에 참여하였으며, 2건의 중국 발명 특허를 출원하였습니다.

본 연구 성과 발표 당시 장쯔위는 국가자연과학기금 청년기초연구프로젝트(박사과정) 제1기 연구비 지원대상에도 성공적으로 선정되었습니다.

우빈민 역시 큰 성과를 거두었다. 몇 달 전, 우빈민은 "편광 민감 및 전방향 감지 기능을 갖춘 VO2 관형 볼로미터의 단일 단계 롤링 제작"이라는 제목의 논문을 "Science Advances"에 첫 번째 저자로 발표했습니다. 연구팀은 칩 상의 관형 나노필름이 뛰어난 열 절연성과 빛 가두기 효과를 가지고 있다는 것을 탐구하여 발견했습니다.

이 연구는 장쯔위와 우빈민의 첫 번째 협업이 아니다. 올해 초, 두 사람은 "칩상 관형 편광 광검출기를 위한 자체 압연 초박형 단결정 실리콘 나노막"이라는 제목의 논문을 "Advanced Materials"에 공동 제1저자로 발표했습니다.본 연구는 자체 컬링 단결정 실리콘 나노필름 편광 광검출기에 초점을 두고 있습니다.

뛰어난 저자들 외에도 2차원 나노소재의 발전도 주목할 만합니다. 특히 오늘날 기기가 소형화, 지능화되는 세상에서 나노, 마이크로 수준의 복잡한 3차원 구조를 구성하는 전자 기기는 전 세계 주요 연구소의 주목을 받고 있습니다.

권위 있는 저널인 Nature Communications에서는 이 측면과 관련된 여러 연구 결과를 수집했습니다. 예를 들어, 2019년 초에 Felix Gabler et al. "자기 오리가미로 고성능 마이크로 장치를 만든다"라는 제목의 연구 결과를 발표했는데, 여기서는 고종횡비 나노필름을 마이크로 전자장치에 조립하는 대체 방법을 언급했습니다.외부 자기장의 영향을 받아 원격으로 조립을 지원함으로써 칩 제조 공정을 개선할 수 있습니다.
논문 링크:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10947-x

장쯔위와 우빈민의 최근 협업은 딥러닝 신경망과 나노필름을 결합하여 3차원 광 검출기를 조립함으로써 입사광 각도를 정확하게 분석하는 것을 목표로 합니다. 첨단 AI를 통합함으로써 More-than-Moore 시대의 도래를 앞당기고 광전자 응용 분야의 첨단 개발을 촉진합니다.