科學(xué)家們攻克了薄膜電子學(xué)中一個(gè)長期存在的難題。

我們被電子設(shè)備所包圍，以至于常常忽略了它們背后的精密技術(shù)。拿起智能手機(jī)這樣簡單的動作，很少會讓我們思考其中蘊(yùn)含的復(fù)雜性。其內(nèi)部，數(shù)百個(gè)微型組件協(xié)同工作，每一個(gè)都凝聚著令人難以置信的精度和工程專業(yè)知識。

在這些看不見的元件中就有射頻（RF）濾波器。這些組件在確保只接收正確信號方面起著至關(guān)重要的作用，無論是通過Wi-Fi還是蜂窩網(wǎng)絡(luò)。您使用的任何無線設(shè)備都依賴這些濾波器才能正常工作。其中許多濾波器依賴于壓電薄膜，這種材料由對壓力有獨(dú)特響應(yīng)的物質(zhì)制成：它們在受到機(jī)械變形時(shí)會產(chǎn)生電荷，在施加電壓時(shí)會改變形狀。

除了在射頻濾波器中的作用外，壓電薄膜對廣泛的微電子元件也至關(guān)重要。它們常用于傳感器、執(zhí)行器，甚至微小的能量收集系統(tǒng)。研究人員還在探索它們在量子技術(shù)等新興領(lǐng)域的潛力。所有這些應(yīng)用的一個(gè)共同點(diǎn)是都需要卓越的薄膜質(zhì)量。生產(chǎn)滿足性能要求的薄膜，很大程度上取決于所使用的特定材料以及制造工藝的精度。

來自瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所（Empa）表面科學(xué)與涂層技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)了一種用于壓電薄膜的新型沉積工藝。其新穎之處在于：他們的方法能夠在絕緣基底上、在相對較低的溫度下生產(chǎn)出非常高質(zhì)量的壓電薄膜 —— 這在該領(lǐng)域尚屬首次。研究人員已將成果發(fā)表在《自然-通訊》期刊上，并為此工藝申請了專利。

為成熟工藝注入新活力

研究人員采用了一種稱為HiPIMS（高功率脈沖磁控濺射的縮寫）的常用技術(shù)作為起點(diǎn)。磁控濺射是一種涂層工藝，其中材料從固態(tài)前驅(qū)體材料（靶材）沉積到待涂覆的組件（基底）上。為此，需要在靶材處點(diǎn)燃工藝氣體等離子體。然后，工藝氣體離子（通常是氬氣）被射向靶材，將靶材原子擊出，這些原子隨后落在基底上形成所需的薄膜。許多材料可用作靶材。對于壓電應(yīng)用，常用金屬，并經(jīng)常添加氮?dú)庖陨傻铮绲X。

HiPIMS的工作原理幾乎相同 —— 只是該過程不是連續(xù)進(jìn)行的，而是以短促、高能量的脈沖形式進(jìn)行。這不僅意味著被濺射出的靶材原子飛行速度更快 —— 其中許多在穿過等離子體的過程中還會被電離。這使得該工藝對研究很有價(jià)值。與中性原子不同，離子可以被加速，例如通過向基底施加負(fù)電壓。在過去大約20年里，這種方法被用于生產(chǎn)硬質(zhì)涂層，高能量使得涂層特別致密和耐用。

然而，直到現(xiàn)在，這種工藝對壓電薄膜還不可行。這是因?yàn)橄蚧资┘与妷翰粌H會加速成膜的靶材離子，也會加速來自工藝氣體的氬離子。必須避免這種氬離子轟擊?！坝操|(zhì)涂層中有時(shí)可能摻入幾個(gè)百分點(diǎn)的氬氣，”Empa研究員塞巴斯蒂安·西奧爾（Sebastian Siol）說?！皦弘姳∧ねǔＴ诟邏合鹿ぷ鳌Ｔ谶@種情況下，此類雜質(zhì)可能導(dǎo)致災(zāi)難性的電擊穿?！?/p>

盡管如此，西奧爾的團(tuán)隊(duì)仍然相信HiPIMS在壓電薄膜方面的潛力。離子高速飛向基底的巨大能量極具優(yōu)勢。如果離子以足夠的能量撞擊基底，它會在短時(shí)間內(nèi)保持移動能力，并在生長的晶格中找到最佳位置。但如何應(yīng)對不需要的氬氣摻入呢？

在其博士論文期間，喬蒂什·帕蒂達(dá)爾（Jyotish Patidar）開發(fā)了一個(gè)巧妙的解決方案。并非所有離子都同時(shí)到達(dá)基底。大多數(shù)氬離子位于靶材前方的等離子體中。這意味著它們通常比靶材離子更早到達(dá)基底，因?yàn)榘胁碾x子首先需要從靶材中被擊出，然后必須穿越整個(gè)距離到達(dá)基底。帕蒂達(dá)爾的創(chuàng)新在于時(shí)機(jī)把握：“如果我們在恰到好處的時(shí)刻向基底施加電壓，我們只加速想要的離子，”西奧爾解釋道。此時(shí)氬離子已經(jīng)飛過 —— 并且沒有額外的加速，它們能量太低，無法摻入正在生長的薄膜中。

“電子淋浴”充當(dāng)飛行控制器

利用這個(gè)技巧，研究人員首次能夠使用HiPIMS生產(chǎn)出高質(zhì)量的壓電薄膜 —— 其性能與傳統(tǒng)方法相當(dāng)甚至更優(yōu)。接下來面臨新的挑戰(zhàn)：根據(jù)具體應(yīng)用，薄膜需要在絕緣基底（如玻璃或藍(lán)寶石）上生產(chǎn)。然而，如果基底不導(dǎo)電，就無法對其施加電壓。雖然工業(yè)上有一種方法可以強(qiáng)行加速離子，但這通常也會導(dǎo)致氬氣摻入薄膜層。

這正是Empa研究人員取得突破的地方。為了將離子加速到絕緣基底上，他們利用了磁控管脈沖本身 —— 即射向靶材的工藝氣體離子的短脈沖。腔室中的等離子體不僅包含離子，還包含電子。磁控管的每個(gè)脈沖都會自動將這些帶負(fù)電的基本粒子加速到基底上。微小的電子比大得多的離子更快地到達(dá)基底。

通常，這種“電子淋浴”對HiPIMS過程并不重要。然而，當(dāng)電子到達(dá)基底時(shí)，在幾分之一秒內(nèi)，它們會給基底一個(gè)負(fù)電荷 —— 足以加速離子。如果研究人員在精確的時(shí)間間隔觸發(fā)后續(xù)的磁控管脈沖，電子淋浴會加速在前一個(gè)脈沖期間開始飛行的靶材離子。當(dāng)然，時(shí)機(jī)也可以調(diào)整，使得只有正確的離子最終進(jìn)入薄膜。

從芯片到量子比特

結(jié)果令人印象深刻：“使用我們的方法，我們能夠在絕緣基底上生產(chǎn)出與在導(dǎo)電基底上一樣好的壓電薄膜，”西奧爾總結(jié)道。研究人員將這種工藝命名為同步浮動電位高功率脈沖磁控濺射（Synchronized Floating Potential HiPIMS），簡稱SFP-HiPIMS。其巨大優(yōu)勢在于：使用SFP-HiPIMS，可以在低溫下生產(chǎn)出非常高質(zhì)量的壓電薄膜。這為芯片和電子元件的生產(chǎn)開辟了新的可能性，因?yàn)檫@些元件通常無法承受高溫。針對絕緣基底的技術(shù)對半導(dǎo)體行業(yè)尤為重要：“半導(dǎo)體行業(yè)的許多生產(chǎn)工具在設(shè)計(jì)時(shí)甚至沒有為基底施加電壓的可能性，”西奧爾說。

下一步，他計(jì)劃與團(tuán)隊(duì)一起開發(fā)鐵電薄膜 —— 這是當(dāng)前和未來電子領(lǐng)域的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)?；谶@一成功，Empa研究人員還啟動了與其他研究機(jī)構(gòu)的多個(gè)合作項(xiàng)目，將其薄膜技術(shù)應(yīng)用于從光子學(xué)到量子技術(shù)等領(lǐng)域。最后，他們還希望借助機(jī)器學(xué)習(xí)和高通量實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化這一創(chuàng)新工藝。

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