西安交通大学在等离子体薄膜分析技术及高分子绝缘驻极体方面

最近，西安交通大学理学院卜腊菊副教授、于德梅教授与电气学院李盛涛教授、前研院鲁广昊教授等合作，依托电力设备电气绝缘国家重点实验室在绝缘介质带电和高压放电等方面的研究优势，发展了基于放电等离子体刻蚀的高分子薄膜准原位亚层吸收光谱和三维电镜断层分析术。在此基础上，通过研究薄膜中绝缘介质在较高电场强度下的带电机制，开发了一系列基于绝缘异质结和绝缘驻极体的新型器件。相关工作发表在美国物理学会APS下属的物理一区期刊《Physical Review Applied》及电子材料著名期刊《Advanced Electronic Materials》上。其中发表在《Physical Review Applied》上的文章是该期刊创刊三年来国内第一篇高分子科学领域的研究工作。

高分子薄膜的光谱分析和形态结构分析一直是高分子物理研究的关键分析技术。尤其是沿着薄膜厚度方向不同位置处的吸收光谱直接和带隙、电子局域态能量分布、结晶度、分子取向等因素有关。因此从实验上获得薄膜亚层的光学和形态信息将有利于开发高性能高分子功能薄膜和新型电子器件。尽管 紫外可见吸收光谱被广泛应用于各类化学分析与材料表征，但是沿着薄膜厚度方向上的定量化吸收光谱分析仍然没有被解决。另外，虽然基于连续样品倾转可以获得无定形或者半结晶高分子薄膜材料的三维透射电镜显微图，然而，连续倾转实验需要昂贵的电镜设备。该研究开发了一种廉价的基于低气压放电等离子体刻蚀技术，通过求解连续Beer-Lambert方程获得了不同深度位置处的吸收光谱，进一步将该表面选择刻蚀方法应用于三维电镜显微重构，得到了具有较高分辨率的三维TEM显微图。基于该技术的原位成套仪器正在研发中。

在上述薄膜光谱和结构分析方面的研究基础上，研究人员利用多组分薄膜厚度方向上的相分离性质，在场效应晶体管半导体层和栅极电介质之间构筑一层高分子绝缘层；并利用栅极应力在较高电场强度下让电荷注入到高分子绝缘层中，形成沿着沟槽方向不均匀分布的驻极体。通过非均匀绝缘驻极体产生的非均匀电场，调控了器件的性能，提出的新理论模型和数值模拟的结果再现了实验观察的调制特性。

该系列研究工作得到国家自然科学基金的支持。理学院、电气学院、材料学院的本科生通过大学生开放实验、大学生国家创新项目等形式积极参与了本研究工作，培养了多学科交叉协作科研创新能力。

Physical Review Applied论文链接:http://journals.aps.org/prapplied/pdf/10.1103/PhysRevApplied.6.054022

Advanced Electronic Materials论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201600359/full