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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院、卡爾斯魯厄理工學(xué)院等研究人員對激光打印微電子元器件的研究以“Laser printed microelectronics”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

打印的有機(jī)和無機(jī)電子元器件在傳感器、生物電子學(xué)和安防應(yīng)用方面仍有很大的研究興趣。在此，研究人員介紹了三種不同墨水的激光打印，用于半導(dǎo)體ZnO和金屬Pt和Ag，作為制造最小特征尺寸低于1μm的打印功能電子元器件的簡便工藝。ZnO打印是基于激光誘導(dǎo)水熱合成的。重要的是，三種材料的激光打印后不需要進(jìn)行任何形式的燒結(jié)。為了演示研究人員方法的通用性，研究人員展示了功能二極管、憶阻器和基于6 × 6憶阻器交叉架構(gòu)的物理不可克隆功能。此外，研究人員將激光打印和噴墨打印相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了功能晶體管。

Pt, Ag, ZnO的激光微打印

圖1:微電子結(jié)構(gòu)的直接激光打印。

圖2:控制激光打印ZnO的幾何形狀。

激光打印Pt-ZnO-Ag二極管

作為激光打印金屬和半導(dǎo)體的新研發(fā)，研究人員考慮了橫向配置的Pt-ZnO-Ag二極管。如圖3所示，二極管由一根鉑線(~0.8 μ m寬)、一根銀線(~0.8 μ m寬)和中間的氧化鋅棒組成。通道長度，即Pt和Ag之間的橫向間距為~0.7 μ m。它是由ZnO棒的橫向?qū)挾葲Q定的。測量得到的電流-電壓特性如圖3b所示。

圖3:激光打印Pt-ZnO-Ag二極管。

激光打印Pt-ZnO-Ag憶阻器

圖4a顯示了一個(gè)集成的1×6交叉memristor陣列，ZnO線寬從1.5μm (C1)增加到1.8μm (C2)， 2.2μm (C3)， 2.6μm (C4)， 3.0μm (C5)，到3.5μm (C6)，線寬為0.6μm的單根Pt線上連接到激光打印接觸墊L1。6根ZnO棒材沿Pt線等距打印，間距為15 μm，并通過線寬為~0.72 μm的銀線層連接到接觸墊上(見圖4a所示整體結(jié)構(gòu))。

圖4:激光打印交叉桿Pt-ZnO-Ag憶阻器器件。

激光打印Pt-ZnO-Ag安全電路

接下來，研究人員在圖5a-c所示的6×6交叉架構(gòu)中利用激光打印憶阻器的隨機(jī)性質(zhì)。該電路作為物理上不可克隆的功能。該功能在受到挑戰(zhàn)時(shí)產(chǎn)生獨(dú)特的反應(yīng)，類似于人類的指紋。其中，導(dǎo)絲路徑隨機(jī)形成和破裂導(dǎo)致憶阻器行為的可變性是關(guān)鍵。對于基于激光打印憶阻器的交叉物理不可克隆功能的初始化，陣列中的每個(gè)設(shè)備最初都是“形成”的，然后使用浮動(dòng)偏置方案“重置”。36個(gè)憶阻器單元的初始形成和復(fù)位過程如圖5d。在初始化后，交叉棒形成一個(gè)相互連接的電阻網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)的憶阻器單元和激光打印的互連點(diǎn)具有不同的電阻。

圖5:激光打印Pt-ZnO-Ag安全電路。

文中，研究人員提供了許多原理驗(yàn)證演示，用于功能電子元器件和整個(gè)電子電路的直接激光打印，最小特征尺寸可降至<1μm。這一突破的關(guān)鍵前提是開發(fā)出一種無機(jī)半導(dǎo)體(ZnO)油墨，用于光熱合成激光打印。這種墨水和相關(guān)的打印方式在概念上不同于聚合物和金屬的激光打印。直接激光打印憶阻器和基于此的電路的優(yōu)點(diǎn)是完全的可添加性，在一個(gè)工藝中集成2D和3D的可能性，以及根據(jù)預(yù)期的電氣行為設(shè)計(jì)每個(gè)單獨(dú)器件的靈活性。例如，在一個(gè)設(shè)計(jì)中應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)不同的底部和頂部金屬電極、各種半導(dǎo)體和不同的尺寸。柔性襯底也是可行的。這特別意味著本研究中提出的任何設(shè)備都不需要高真空沉積和標(biāo)準(zhǔn)的無塵室光刻工藝。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36722-7