第一作者：徐何軍
通訊作者：吳幸、孫立濤
通訊單位：華東師范大學、東南大學
核心內容：
1. 總結了納米器件的發展歷程。
2. 系統分析了原位TEM表征和操控納米器件的特點與優勢.
3. 系統總結了原位電鏡應用于晶體管及非易失性存儲器中器件原理的最新研究進展。
納米器件的表征
隨著信息技術的不斷發展，構筑信息網絡的新型器件也不斷涌現，這其中就包括晶體管，非易失性存儲器等在內的許多不同類型器件。然而隨著器件尺寸不斷縮小，缺陷在實現納米器件的高性能中起著越來越重要的作用。并且納米器件中的界面在各種外部環境下也表現出非常復雜的特性，這些都極大地影響了器件的性能。為了揭示缺陷的行為和演變以及納米器件中的界面特性，非常需要用于表征缺陷和界面的有效工具和技術。
原位TEM用于納米器件
原位透射電子顯微鏡（TEM）是精確定位器件內部的結構信息、確定化學組成的有效工具。此外，TEM能夠實現多場耦合，原位TEM可以用于觀察、實時分析納米器件的微觀結構和成分在不同外場和環境中失效過程的動態演變。揭示納米器件在外場作用下的演變規律，對納米器件的可控制備、性能調控和應用都具有重要的意義。由此及時地總結TEM在納米器件的整體可靠性和失效分析十分重要。
綜述簡介
有鑒于此，華東師范大學吳幸課題組和東南大學孫立濤課題組簡述了納米器件的發展歷程，系統地分析了原位透射電子顯微學表征和操控納米器件的特點與優勢，系統地總結了原位電鏡應用于晶體管及非易失性存儲器中器件原理的最新研究進展，并展望了其未來的發展方向。
圖1. 納米器件結構的發展歷史路線圖。隨著器件尺寸的不斷減小，構成納米器件的結構和材料也不斷變化。應力硅、高介電常數柵氧化層、金屬柵、Fin-FET等結構紛紛涌現。二維材料以其具有高遷移率、完美界面、無懸掛鍵等優點，基于二維材料的晶體管、隧道場效應晶體管、半浮柵存儲器等各類器件也逐一出現。
該綜述的主體部分主要介紹了原位透鏡技術在晶體管以及包含阻變儲存器（RRAM）、相變存儲器（PCM）、鐵電存儲器（FeRRAM）在內的非易失性存儲器兩大類器件研究中的應用。
圖2.各種成像技術與多種分析功能相結合，使原位TEM實現了高分辨率、高時間分辨率和高能量分辨率。
這都歸功于以下兩點：原位電鏡不僅可以進行原子級別的成像、對材料進行化學成分的計量分析，觀察到了晶體管中氧化層的擊穿機理；還可以用電子束作為加工器件的工具，加工制作了石墨烯納米帶及石墨烯側柵器件。TEM結合各種成像技術與多種分析功能，并且能夠實現多場耦合，這使得原位電鏡可用于研究阻變存儲器、相變存儲器及鐵電阻變存儲器的阻變機制。比如通過原位電鏡在RRAM中觀察到主要的三種導電細絲演變機理為金屬遷移機制（ECM）和空位遷移機制（VCM）及兩者共存的機制。
最后進一步闡述原位電鏡對揭示結構-性質關系起著橋梁作用的基本觀點（如圖3所示）。對原位電鏡未來的技術發展提出幾點挑戰，包括評估電子曝光產生的熱效應以及結構破壞對器件研究的影響；關于縮短EDS和EELS收集信號的時間進而實現實時動態監測材料成分變化；發展并提高磁性樣品的表征技術；實現三維實時動態表征樣品等。
圖3. 原位電鏡作為納米器件的結構和性質之間連接的橋梁。
參考文獻：
H.Xu, X. Wu, X. Tian, J. Lia, J. Chu, L. Sun. Dynamic structure-properties characterization and manipulation in advanced nanodevices. Materials Today Nano,2019.
DOI:10.1016/j.mtnano.2019.100042
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842019300598
