兰州大学彭勇教授、张军伟副教授联合中山大学王来源副教授微纳原位器件原子尺度精准修复范德瓦尔斯晶体器件

基于微纳原位器件，在原子尺度解析器件失效-修复机理是优化器件性能并延长其使用寿命的高效手段。近期，兰州大学彭勇教授、张军伟副教授课题组与中山大学柔性电子学院王来源副教授课题组展开紧密合作、针对范德瓦尔斯材料原位器件，利用球差电镜扫描透射模式（STEM）中的小直径电子束，探索了原子尺度精准修复范德瓦尔斯材料的方法，并高效地修复了一系列范德华层状晶体材料中的非晶缺陷。通过电镜原位技术测试，他们发现修复后的材料电导率得到了显著提升，证明了该方法修复器件的有效性。这一成果被认为是“微纳原位器件缺陷修复的一大进展，将会激发人们对缺陷电子学领域的进一步探索”。相关研究成果以“Repair Engineering of Crystal Structure in van der Waals Materials by Probe Electron Beam”为题，发表在纳米电子著名期刊《Nano Letters》（Doi: 10.1021/acs.nanolett.4c03119）。

图一、基于范德华层状材料的器件的失效研究。

范德华层状材料在原子尺度上仍能保持优异性能，为实现超高密度数据存储提供了理想的解决方案。然而，长时间的电脉冲刺激会极大地影响基于范德华材料的存储器件的性能。为了确保这些器件在实际应用中的长期稳定性和可靠性，必须深入研究范德华材料在电脉冲刺激下的晶体结构变化，并在原子水平上探索相应的修复技术。在球差校正的扫描透射模式下，电子束的尺寸通常在0.1纳米左右，这对于修复小的非晶区域非常有利。因此，STEM电子束修复有望成为一种有效的局部缺陷修复技术。图一展示了文章中选用的InSe的原子结构模型。为了调查材料在持续脉冲电压刺激下的结构变化，研究人员利用电子束曝光（EBL）技术制作了范德华层状InSe两端口器件。随着电脉冲刺激数量的增加，器件的电阻出现了明显的增加。为了研究电阻增加背后的原因，研究人员利用聚焦离子束电镜（FIB）制备了经过20000个脉冲刺激后的InSe截面样品，并对其进行了STEM表征。发现材料内部出现了许多被晶体结构包围的非晶缺陷，其直径大多处于1-9纳米之间（图1f）。由InSe非晶的衍射环得到的径向分布函数（RDF）表明，非晶态InSe由短程有序度低于7 Å的簇组成。

随后，研究人员利用STEM模式下的小尺寸电子束，精准地修复了材料内部的非晶缺陷。修复过程如图二所示，通过图像以及傅里叶变换，可以直观地看出，由脉冲刺激导致的非晶缺陷在电子束的辐照下实现了完美的修复。

图二、电子束辐照下非晶缺陷的修复过程。

在这项工作中，研究人员还进行了不同厚度样品的修复实验以及加热实验，以验证所提出的理论模型。由于结构决定性能，修复后材料的电学性质也必定会得到一定的优化，这一现象在接下来的原位电学实验中得到了验证。研究人员制备了如图三所示的电学芯片样品，并使用聚焦离子束中的离子束人工引入了大量被晶体结构包围的非晶缺陷。随后，他们采用CS-STEM中的电子束辐照对这些缺陷进行修复。图三为单一缺陷修复前后的STEM对比图像和应变对比图像，均证实了电子束辐照对非晶缺陷的有效修复。通过原位电学测试，研究人员得到了在修复了不同数量缺陷后材料的电导变化。随着修复缺陷数量的增加，电导率逐渐增加，且电导的大小与修复脉冲数量几乎呈线性相关。在这一过程中，电导的调制达到了约3.5 × 10 ^–10 S/缺陷的水平，这比忆阻器件的电导调制要精细得多。由此可知，该团队利用CS-STEM中电子束辐照修复缺陷的方法是提高器件性能以及调控器件电导率的一种有效策略。

图三、非晶修复过程中的电镜原位电学测试结果。

图四所示的结果进一步验证了这一方法在其他功能范德华材料中的普适性。对于微小的结构缺陷，该工作展示了一种精准且高效的修复方式，为因长期使用而引起的器件失效问题提供了一种可行的解决办法。同时，这一成果也激发了人们对缺陷电子学领域的进一步探索。

图四、电子束辐照修复非晶缺陷的普适性。

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