惯性聚簇效应

成果名称 惯性寻北仪专用光纤陀螺关键技术及制作 单位名称 北京大学 联系人 马靖 联系邮箱 mj@labpku.com 成果成熟度 □研发阶段 □原理样机 □通过小试 □通过中试 &radic 可以量产 成果简介： 采用光纤陀螺作为核心部件的惯性寻北仪是一种自主指示方位的高精度惯性仪器，利用它可以测得的地球自转角速率值及加速度计测得的陀螺仪与水平面夹角，从而得到载体的基线与真北方向的夹角。光纤陀螺仪是陀螺仪家族中的新星，它是全固态系统，没有任何运动部件，因此具有耐冲击、抗振动、工作寿命长、维护成本低等一系列优点。这些都是其它传统陀螺仪无法比拟的。光纤寻北陀螺测斜仪是一种新型的测量井斜的数字化仪器，可广泛应用于工程、水文、水电、煤矿、冶金、油田、地质等测井领域。主要针对磁性矿地区及在钢铁管类钻管中测量钻孔斜度和方位而设计。 本项目的主要研究内容是：采用全光纤结构研制高精度的寻北陀螺仪，这项技术填补了国内的空白，具有国际领先水平。研究与开发内容包括：1）光纤陀螺仪总体设计；2）光路设计及制作；3）电路设计及制作；4）DSP系统设计及调试；5）软件开发及调试；6）光纤陀螺仪系统联调；7）光纤陀螺仪性能指标测试评估、优化。目前项目已成功制得多个样机，并在国内7家单位以及英国、挪威的石油、地质勘探仪器制造企业得到应用，产生了良好的经济效益和社会效益。 应用前景： 光纤陀螺仪是陀螺仪家族中的新星，它是全固态系统，没有任何运动部件，因此具有耐冲击、抗振动、工作寿命长、维护成本低等一系列优点。本项目采用全光纤结构研制高精度的寻北陀螺仪，这项技术填补了国内的空白，具有国际领先水平。

金属纳米团簇是一类由几个到数百个金属原子组成，尺寸一般小于2 nm的新型无机材料。纳米团簇确定的组成和结构、高的比表面以及不饱和配位点，使其成为一种在原子/分子水平研究催化反应构效关系的理想模型。铜团簇(Cu NCs)由于较低的成本和丰富的自然储量，在实际应用中具有广阔的前景。然而，Cu NCs生长机制的不确定性和结晶过程的复杂性阻碍了对其特性的深入理解和开发。特别是，配体效应对Cu NCs的结构和性质具有重要影响，然而其在原子/分子水平上的调控机制仍然不清楚。 　　前期孙晓岩研究员带领的团簇化学与能源催化研究组利用基于质谱技术的离子-分子反应方法，探究了高价态铁氧物种活化甲烷的本证活性并揭示了其生成甲二醇的微观机理(J. Phys. Chem. Lett. 2023, 14, 1633-1640)。受气相反应的启发，并结合质谱技术的优势，该团队将质谱应用于凝聚相团簇中，来探究配体效应对Cu NCs生长、结构、性质以及反应活性的调控规律。 　　研究人员通过化学还原法成功合成了三种不同配体(2-巯基苯并咪唑、2-巯基苯并噻唑和2-巯基苯并恶唑)保护的相同核数的Cu6 NCs(Cu6-1，Cu6-2和Cu6-3)，这三种仅有微小差异的配体结构为精准对比配体效应提供了良好的模型(图1)。团队首先利用实时监测质谱技术探究了配体对Cu6 NCs合成过程的影响，发现团簇的生长过程经历“尺寸聚焦-热力学平衡-氧化刻蚀”三个阶段，由于配体的作用，使得这三个过程在时间维度上出现了显著差异，因此，通过质谱对团簇尺寸聚焦过程的准确监测能够为实现多种Cu NCs的精准合成提供重要思路。针对Cu团簇难以获得晶体结构的问题，团队利用碰撞诱导解离(CID)质谱技术进一步解析和对比了三种配体对团簇结构及稳定性的影响(图2)。基于碎片离子与O2的反应，并结合密度泛函理论计算，推导出Cu团簇催化燃料电池阴极氧还原反应(ORR)的活性位点，并筛选出Cu6-3可能具有较高的ORR活性。这项工作不仅为质谱技术研究团簇的配体效应提供了基本的见解，也为凝聚相中精准设计高活性的Cu基纳米催化剂提供了重要的思路。图1. 三种不同配体Cu6团簇的合成与表征 图2. 三种不同配体Cu6团簇结构和多级质谱分析 　　相关工作近日发表在Small上。青岛能源所博士生张丽丽为论文第一作者，孙晓岩研究员为通讯作者。该工作得到了山东能源研究院科研创新基金和山东省自然科学基金等项目的支持。

【科学背景】在过去六十年中，晶体管尺寸的不断缩小得益于诸如鳍式场效应晶体管（FET）技术的创新、高介电常数绝缘材料的集成、改进的互连技术以及极紫外光刻技术的进步。这些技术不断推动了集成电路（IC）组件密度的提升。然而，尽管器件级的缩放取得了显著进展，封装级的进展却相对滞后，这突显了三维（3D）集成作为一种“正交缩放”方法的重要性。3D集成通过减少占地面积、降低功耗、提高带宽、缩短连接布线以及降低寄生损耗等优点，提供了一种有前景的解决方案，能有效突破传统二维尺寸缩放的限制。工业界目前主要采用铜微凸点和通过硅通孔（TSVs）来堆叠分别制造的芯片，但TSVs具有较大的占地面积，导致显著的寄生电容和热/机械应力。因此，单片3D（M3D）集成被认为是未来3D集成电路的关键技术，其通过在单个晶圆上顺序制造层间通孔，解决了TSVs带来的局限性。M3D集成实现了更高的垂直互连密度、更短的连线长度，从而提高了速度并降低了功耗，同时也允许在一个或多个层中集成非硅材料，以提升性能或丰富功能。然而，M3D集成在采用相同（非硅）半导体材料的互补FET方面仍处于探索阶段，这主要由于n型碳纳米管FET和p型二维FET的开发进展有限。本研究针对这一现状，美国宾夕法尼亚州立大学Rahul Pendurthi，Saptarshi Das教授团队展示了基于n型和p型FET的两层互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片的M3D集成。这些FET采用通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术合成的大面积WSe₂ 制成。作者成功实现了晶体管级分区，将340个n型FET和340个p型FET分别放置在第1层和第2层。此外，作者展示了宽度为300 nm、间距为1 µ m的密集层间通孔，这在封装技术中达到了先进水平。同时，作者成功实现了包括27个反相器、12个NAND门和12个NOR门在内的3D CMOS电路。通过在不超过200°C的温度下制造M3D CMOS堆叠，本研究为2D/Si混合技术的后端集成提供了兼容的解决方案。这些成果不仅突破了传统封装技术的限制，还展示了二维材料在推动M3D集成方面的巨大潜力。【表征解读】本文通过拉曼光谱和光致发光（PL）测试，揭示了多层WSe2薄膜的晶体结构和光学特性。这些表征手段使我们能够深入理解WSe2的电子性质及其在CMOS电路中的应用潜力。针对WSe2薄膜中观察到的光致发光现象，作者利用透射电子显微镜（TEM）对样品进行了微观结构分析，得到了层间耦合效应及其对电子迁移率的影响，进而挖掘了WSe2在高效电子器件中的应用价值。在此基础上，通过扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束（FIB）技术，本文获得了二维材料的详细形貌和结构特征。这些表征结果表明，WSe2在微米尺度下展现出良好的均匀性和层间一致性，进一步证明了其在集成电路中作为半导体材料的可靠性。特别是在对比不同厚度的WSe2样品时，作者发现其电学性能和光学响应显著依赖于层数，这为设计新型器件提供了重要指导。总之，经过综合的拉曼、PL、TEM和SEM等表征手段，深入分析了WSe2的结构特性和电子特性，进而制备出新型二维材料。这些研究不仅推动了对WSe2在集成电路中应用的理解，也为发展更高效的电子器件奠定了基础，标志着二维材料领域的又一重要进展。通过这些手段的结合，我们能够系统地解析材料的性能，并为未来的研究指明方向。【科学图文】图1：互补金属氧化物半导体CMOS 硒化钨WSe2 场效应晶体管FET的单片三维集成M3D。图2：大面积有机金属化学气相沉积法MOCVD WSe2合成和3D叠层制造。图3：单片三维集成M3D 互补金属氧化物半导体CMOS WSe2 场效应晶体管FET。图4：单片三维集成M3D逻辑门。【科学结论】本文首次成功实现了基于n型和p型WSe₂ 场效应晶体管的两层CMOS芯片的M3D集成，展示了二维材料在推动M3D技术方面的巨大潜力。这种集成方式突破了传统二维缩放的限制，为器件集成密度的提升和性能的优化提供了新的解决方案。其次，通过采用300 nm宽、间距为1 µ m的密集层间通孔，本研究实现了在两层芯片中连接超过340个n型FET和340个p型FET，标志着在高密度集成领域的显著进展。这种高密度的垂直互连方式不仅有效减少了互连线的长度，还降低了功耗和寄生损耗，提高了整体电路的性能。此外，本研究在200°C以下的温度下成功制造了3D CMOS电路，包括27个反相器、12个NAND门和12个NOR门，展示了M3D CMOS技术在实际应用中的可行性。这一成果表明，M3D技术不仅可以解决传统二维缩放中的热处理和性能问题，还为2D/Si混合技术的后端集成提供了兼容的解决方案。这些发现不仅扩展了M3D技术在高性能电子器件中的应用范围，还为未来在二维材料和3D集成技术方面的进一步研究奠定了基础。原文详情：Pendurthi, R., Sakib, N.U., Sadaf, M.U.K. et al. Monolithic three-dimensional integration of complementary two-dimensional field-effect transistors. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01705-2