從熱退火到原子級剝離，研究人員正在重新思考制造瓶頸，以解鎖半導體新的性能上限。

密歇根大學、麻省理工學院、威斯康星大學麥迪遜分校和多倫多大學的研究團隊最近展示了如何通過新穎的工藝調整，而不僅僅是新材料，來顯著提高設備性能和可擴展性。這些制造技術可以推動從壓電傳感、紅外成像到太陽能能的應用。

熱處理技術大幅提升壓電薄膜性能

密歇根大學的工程師們通過簡單的生長后熱退火步驟，將鈧鋁氮化物（ScAlN）的壓電響應提高了八倍——這種材料已被視為傳統陶瓷如 PZT 的繼任者。轉折點？將材料加熱至 700°C 持續(xù)兩小時，重新排列錯位的晶粒，從而顯著提升了機電性能。 大學

壓電材料可以將壓力轉換為電信號，反之亦然，在射頻濾波器、超聲波探頭、振動傳感器和能量收集器中發(fā)揮著關鍵作用。但在鈧鋁氮化物等氮化物薄膜中，其全部性能潛力長期以來一直受沉積過程中引入的微觀缺陷所限制。

左側為米澤天教授，右側為莫爾達爾博士生討論他們的研究。圖片由 Marcin Szczepanski 提供， 密歇根大學

通過糾正這些缺陷并實現均勻晶粒取向，密歇根大學團隊將壓電系數（d??）從 12.3 pC/N 提高到 45.5 pC/N——遠超當前 5G 設備中氧化鋁氮的 6–7 pC/N 典型值。重要的是，這種提升不需要新的工具或奇特的制造技術，使其與現有的半導體工作流程高度兼容。

應用范圍廣泛：高靈敏度麥克風、低功耗醫(yī)學超聲成像、嵌入智能道路的交通供電傳感器以及利用環(huán)境機械能的低功耗物聯網節(jié)點。美國國防高級研究計劃局（DARPA）已支持該研究用于原子鐘，暗示國防部門對此有濃厚興趣。

這種退火技術可能成為 MEMS 和射頻前端生產中的標準附加步驟，為高性能壓電元件提供了一條低成本途徑。

原子剝離技術產生超薄“皮膚”用于紅外視覺。

麻省理工學院和威斯康星大學麥迪遜分校在電子材料制造領域打破了一項長期存在的障礙：如何在批量生產超薄傳感薄膜的同時不犧牲性能或可擴展性。成果是一種 10 納米厚的熱釋電薄膜 ，這是目前制造的最薄的薄膜，能夠檢測整個紅外光譜的細微溫度變化——無需冷卻。

與依賴龐大低溫系統的傳統中紅外傳感器不同，這種新薄膜在室溫下工作，性能與最先進的夜視技術相當。僅此一點就使其成為下一代夜視眼鏡和自動駕駛系統的變革者，在這些應用中，重量、功耗和尺寸至關重要。

新的薄膜可能帶來更輕便、更便攜、高精度的遠紅外傳感設備。圖片由 Adam Glanzman 提供， 麻省理工學院

關鍵創(chuàng)新是一種新型原子剝離（ALO）技術。使用一種名為 PMN-PT 的熱釋電材料，研究人員發(fā)現他們可以毫無痕跡地將超薄膜從其基板上剝離，而無需釋放層，這得益于鉛原子像原子級特氟龍一樣的作用。這些原子在生長過程中防止結合，從而實現無缺陷的分離和轉移，可應用于柔性電子或芯片級陣列。

具有創(chuàng)紀錄的高熱釋電系數和優(yōu)異的熱敏感性，這些自由-standing 薄膜為可穿戴傳感器、紅外相機、智能紡織品和電子熱診斷開辟了新的前沿。更棒的是，ALO 方法具有普適性；其他材料可以進行調節(jié)以實現類似的剝離行為，這使得這不僅僅是一次實驗室的成功，而且是一個可擴展的薄膜制造平臺。

隨著團隊朝著系統集成和環(huán)境測試邁進，從潔凈室到商業(yè)現實的路徑已經形成，為夜視眼鏡到自動駕駛汽車等一切事物帶來無需電源的紅外傳感。

香港理工大學突破效率極限，創(chuàng)紀錄的疊層太陽能電池

在香港理工大學（PolyU），研究人員實現了太陽能行業(yè)許多人長期以來追求的目標：在鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池中獲得了認證的 33.89% 轉換效率 （PCE），正式超過了單結器件的肖克利-奎瑟極限。這不僅僅是一個記錄，這個里程碑展示了商業(yè)可擴展的太陽能技術的可行路徑，突破了長期存在的理論障礙。

關鍵創(chuàng)新是一種雙層界面鈍化策略，解決了疊層太陽能發(fā)展中一個最持久的障礙：由于鈣鈦礦層和電子傳輸材料之間的界面復合導致的電荷損失。香港理工大學團隊層了一種超薄的氟化鋰（LiF）薄膜和短鏈乙二胺二碘化物（EDAI），實現了協同場效應和化學鈍化。這種技術顯著提高了載流子壽命并抑制了非輻射復合，這是疊層電池架構中的主要效率瓶頸之一。

聚焦大學應用物理系副教授尹軍教授開創(chuàng)了新型雙層界面鈍化策略，用于開發(fā)高效疊層太陽能電池。圖片由聚焦大學提供

從制造角度來看，聚焦大學還實施了一種雙紋理硅異質結基底，最大限度地提高了光捕獲，同時保持了高背面鈍化。結果不僅獲得了33.89%的轉換效率，還有83%的填充因子和接近1.97伏的開路電壓——同時展示了強大的運行穩(wěn)定性。

該工藝適用于多種鈣鈦礦化學體系，并且兼容真空和溶液處理沉積方法，具有真正的工業(yè)潛力。應用包括高產的屋頂面板、下一代太陽能農場，甚至用于物聯網和邊緣系統中的集成電源解決方案，其中功率密度至關重要。

隨著與長虹等工業(yè)合作伙伴的合作以及來自晶科能源和中晶太陽能的日益激烈競爭， PolyU 的雙層策略可能會定義高效光伏的下一階段，將鈣鈦礦疊層電池從研發(fā)推向穩(wěn)健、市場化的平臺。