以二維晶體管為代表的二維電子器件及集成電路被認(rèn)為是未來(lái)集成電路發(fā)展的重要方向，其中二維柵介質(zhì)是決定二維電子器件性能和可靠性的關(guān)鍵因素。二維六方氮化硼（hBN）因其高介電強(qiáng)度、原子級(jí)平整度和良好化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用作二維電子器件的柵介質(zhì)、絕緣襯底和封裝層等，是目前最為關(guān)注的二維介電材料之一。此前研究表明，基于二維hBN的電子器件具有電荷雜質(zhì)散射低、電子遷移率高、溝道工藝損傷小等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。但是，由于二維材料極易彎曲變形，目前二維電子器件在加工或工作的過(guò)程中都不可避免地會(huì)在二維材料中引入機(jī)械應(yīng)力。因此，應(yīng)力對(duì)二維hBN柵介質(zhì)性能會(huì)帶來(lái)何種影響、二維hBN在應(yīng)力或變形下介電強(qiáng)度如何變化等問(wèn)題對(duì)于二維電子器件至關(guān)重要，但都仍是未知的問(wèn)題。

近日，北京大學(xué)電子學(xué)院魏賢龍團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了二維hBN在機(jī)械應(yīng)力下的介電強(qiáng)度弱化現(xiàn)象。利用原位電子顯微學(xué)手段和微納加工技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了機(jī)械應(yīng)力對(duì)二維hBN介電性能的影響，發(fā)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致二維hBN的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度降低（見(jiàn)圖1）、擊穿時(shí)間縮短、漏電流水平上升，并且其厚度越薄，上述介電強(qiáng)度弱化現(xiàn)象越顯著。研究結(jié)果表明，機(jī)械應(yīng)力是影響基于二維hBN的電子器件性能的重要因素，在加工和使用二維電子器件過(guò)程中應(yīng)盡量避免在二維hBN中引入應(yīng)力或形變。上述成果以《機(jī)械應(yīng)力下六方氮化硼納米片的介電強(qiáng)度弱化》(Dielectric strength weakening of hexagonal boron nitride nanosheets under mechanical stress) 為題，2025年8月29日在線(xiàn)發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。

圖1 不同應(yīng)力情況下不同厚度二維hBN的本征擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（EBD）和出現(xiàn)顯著漏電流的電場(chǎng)強(qiáng)度（ELC）

該論文的第一作者為電子學(xué)院博士生王炳杰，通訊作者為魏賢龍長(zhǎng)聘副教授。北京大學(xué)電子學(xué)院為通訊單位。主要合作者包括北京大學(xué)電子學(xué)院陳清教授、北京大學(xué)工學(xué)院戴兆賀研究員、日本國(guó)立材料研究所Takashi Taniguchi和Kenji Watanabe教授等。

研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金資助，以及北京大學(xué)微納加工實(shí)驗(yàn)室校級(jí)平臺(tái)的支持。

論文原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63358-6

來(lái)源：PKU電子學(xué)人