01/当芯片缩小到“亚纳米”，新材料接棒

当芯片的“微缩竞赛”逼近物理极限，硅基晶体管已难再前进半步。然而，科研团队并未停下脚步——他们把目光投向了二维材料。就在近日，华南师范大学团队在 Nature Communications 发表突破性研究--《Controllable growth of MoO₃ dielectrics with sub-1 nm equivalent oxide thickness for 2D electronics》：他们通过可控生长技术，成功制备出等效氧化层厚度（EOT）仅 0.9 nm 的 MoO₃ 高κ介电层，实现了在二维半导体晶体管中超薄、低漏电、低功耗的理想结构。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-61972-y

使用飞纳电镜型号：

Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜

这项研究由华南师范大学霍能杰教授团队主导完成，并与广东工业大学、深圳大学等单位合作完成。霍能杰教授现任华南师范大学物理与电信工程学院教授，长期从事二维半导体器件、高介电常数栅介质（High-κ）材料与低功耗晶体管研究，在 Nature Communications、Advanced Materials 等国际期刊发表多篇高水平论文。本论文的第一作者为罗家豪博士生，团队成员涵盖材料制备、电镜表征与器件测试等多个环节，共同推动了这一重要成果的诞生。

02/研究核心：为二维电子器件打造“超薄又强”的介电层

在二维材料电子学中，如何制备出高介电常数（κ）、超薄、界面无损伤的介电层，是决定器件性能的关键问题。传统的 Al₂O₃ 或 HfO₂ 虽有高 κ 特性，但使用原子层沉积（ALD）方法时，容易在二维半导体（如 MoS₂）表面造成缺陷与污染，导致漏电流高、控制力差。科研团队采用物理气相沉积（PVD）技术，在高温下生长出垂直取向（standing）的 MoO₃ 纳米片；这种生长方式使 MoO₃ 自由站立（free-standing），表面不与基底接触；随后使用无聚合物转移（polymer-free transfer）技术，将其直接叠放到二维半导体上，实现完美的范德华界面结合（vdW stacking）。

通过物理气相沉积（PVD）方法制备的层状 MoO₃ 的生长与表征。（a）是在 740 °C 条件下，于硅基底上生长的垂直取向MoO₃ 纳米片的扫描电子显微镜（SEM）图像；(b)是 在 790 °C 条件下，于硅基底上生长的 MoO₃ 纳米片的 SEM 图像。飞纳 Phenom Pharos 场发射电镜在研究早期阶段用于快速筛查样品形貌与垂直取向结构，为后续高分辨 TEM 分析提供了精准定位与参数优化依据。

实现方法简述

1. PVD 生长阶段：采用高纯 MoO₃ 粉末，在 740°C–790°C 下加热蒸发；氩气作为载气，控制生长时间 10–30 分钟；获得垂直取向、可自由转移的 MoO₃ 纳米片。

2. 器件构筑阶段：将 MoO₃ 层无聚合物转移至 MoS₂ 通道上方；构建金属-绝缘体-半导体结构（MIS）晶体管；利用飞纳电镜、TEM、AFM、XRD 等手段表征结构完整性。

3. 器件验证：通过电容-电压（C–V）与漏电流（I–V）测试验证高κ特性与稳定性；构建 MoS₂ 晶体管与垂直 CMOS 反相器，进行功能验证。

03/关键性能突破｜0.9 nm EOT！高 κ 介电层 + 低漏电的完美组合

在传统芯片中，当介电层越做越薄，电子会穿过去——这就是“漏电”问题。这项研究实现的 0.9 nm 等效氧化层厚度（EOT），代表着二维材料晶体管的“极限微缩”正式被突破。过去硅工艺已经逼近 1 nm 极限，再薄就会“漏电失效”，而高 κ 的 MoO₃ 介电层让器件在“看似厚度 9 纳米”的情况下，电学效果却相当于传统 SiO₂ 的 0.9 nm，实现了更强控制力、更低功耗与更少漏电的完美平衡，做到了“电学上更薄、物理上更稳”。简而言之——它让晶体管能在更低电压下更稳定地工作，为下一代芯片的微缩和低功耗提供了全新路径。

这一组图（论文 Fig. 3 a–g）全面展示了 MoO₃ 介电层 + MoS₂ 通道的晶体管结构、界面质量、电学性能及长期可靠性。(a)顶栅场效应晶体管（FET）的结构示意图，其中原位生长的 MoO₃ 作为栅介电层，MoS₂ 作为导电通道；图中 TG、S、D 分别代表顶栅（Top Gate）、源极（Source）和漏极（Drain）。(b) 器件的扫描电子显微镜（SEM）图像，MoO₃ 厚度为9.31 nm；图中蓝色虚线标示 MoO₃ 层位置，橙色虚线标示 MoS₂ 通道层位置。(c) MoO₃/MoS₂ 叠层结构的横截面透射电镜（TEM）图像，展示出界面平整、无污染、无损伤的结合特征。(d) 高角环形暗场（HAADF）像及能量色散X射线（EDX）元素分布图，显示 Mo、O、S、C 元素分布清晰，进一步验证了 MoO₃/MoS₂ 结构的正确性与元素分层特征。

04/见证“亚纳米时代”的到来

这项研究并不是停留在实验室的“炫技”成果，而是未来芯片技术的关键铺垫。从超低功耗逻辑芯片到柔性电子、可穿戴设备，再到三维集成电路（3D CMOS），MoO₃ 与 MoS₂ 的结合正在为“后硅时代”的电子世界打开新路径。飞纳场发射电镜在其中扮演了“微观守望者”的角色：它让研究者在纳米尺度下真正“看见”结构、理解性能，让每一次微观创新，都有清晰的可视证据。从纳米到亚纳米，从可见到可控，飞纳电镜将继续助力科研团队探索材料的极限边界，见证更多‘看见即突破’的创新时刻。

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