圖1. 兩晶體管一電容(2T-1C)單元構(gòu)架和使用晶圓尺寸的MoS2所制備的集成電路。

             (a)使用化學(xué)氣相沉積法(CVD)批量制備的晶圓尺寸的MoS2。

             (b)CVD合成的MoS2在不同位置的Raman光譜。

             (c)在2英寸晶圓上使用MicroWriter ML3制備的24個MoS2晶體管的傳輸特性。

             (d)MicroWriter ML3制備的2T-1C單元顯微照片。圖中比例尺為100μm。

             (e)2T-1C單元電路示意圖,包括儲存和計算模塊。

             (f)2T-1C單元的三維示意圖,其中包括兩個MoS2晶體管和一個電容組件。

             (g)2T-1C單元陣列的電路圖。

             (h)典型卷積運算矩陣。

生物微流控領(lǐng)域器件制備

釀酒酵母菌是一種具有高工業(yè)附加值的菌種,其在真核和人類細(xì)胞研究等領(lǐng)域也有著非常重要的作用。釀酒酵母菌由于自身所在的細(xì)胞周期不同,遺傳特性不同或是所處的環(huán)境不同可展現(xiàn)出球形單體,有芽雙體或形成團(tuán)簇等多種形貌。因此獲得具有高純度單一形貌的釀酒酵母菌無論是對生物學(xué)基礎(chǔ)性研究還是對應(yīng)用領(lǐng)域均有著非常重要的意義。

澳大利亞麥考瑞大學(xué)Ming Li課題組利用MicroWriter ML3無掩模激光直寫機(jī)制備了一系列矩形微流控通道[2]。在制備的微流控通道中,通過粘彈性流體和牛頓流體的共同作用對不同形貌的釀酒酵母菌進(jìn)行了有效的分類和收集。借助MicroWirter ML3中所采用的無掩模技術(shù),課題組可以輕易實現(xiàn)對微流控傳輸通道長度的調(diào)節(jié),優(yōu)化出對不同形貌酵母菌進(jìn)行分類的最佳參數(shù)。相關(guān)工作結(jié)果在SCI期刊《Analytical Chemistry》(IF=8.08)上發(fā)表。

圖2.在MicroWriter ML3制備的微流控通道中利用粘彈性流體對不同形貌的釀酒酵母菌進(jìn)行微流控連續(xù)篩選。

圖3.在MicroWriter ML3制備的微流控流道中對不同形貌的釀酒酵母菌的分類和收集效果。

      (a)為收集不同形貌釀酒酵母菌所設(shè)計的七個出口。

      (b)不同形貌酵母菌在通過MicroWriter ML3制備的流道后與入口處的對比。

      (c)MicroWriter ML3制備的微流控連續(xù)篩選器件對不同形貌的酵母菌的篩選效果。從不同出口處的收集結(jié)果可以看出,單體主要在O1出口,形成團(tuán)簇的菌主要O4出口。

      (d)MicroWriter ML3制備的微流控器件對不同形貌的釀酒酵母菌的分類結(jié)果,單體(藍(lán)色),有芽雙體(黃色)和形成團(tuán)簇(紫色)。

      (e)和(f)不同出口對不同形貌的釀酒酵母菌的分離和收集結(jié)果的柱狀圖。誤差棒代表著三次實驗的誤差結(jié)果。

醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域器件制備

在新冠疫情大流行的背景下,從大量人群中快速篩查出受感染個體對于流行病學(xué)研究有著十分重要的意義。目前,新冠病毒診斷采用的普遍標(biāo)準(zhǔn)主要是基于分析逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng),可是在檢測中核酸提取和擴(kuò)增程序耗時較長,很難滿足對廣泛人群進(jìn)行篩查的要求。

復(fù)旦大學(xué)魏大程教授課題組利用MicroWriter ML3無掩模激光直寫機(jī)制備出基于石墨烯場效應(yīng)晶體管(g-FET)的生物傳感器[3]。該傳感器上擁有Y形DNA雙探針(Y-雙探針),可用于新冠病毒的核酸檢測分析。該傳感器中的雙探針設(shè)計,可以同時靶向SARS-CoV-2核酸的ORF1ab和N基因,從而實現(xiàn)更高的識別率和更低的檢出極限(0.03份μL?1)。這一檢出極限比現(xiàn)有的核酸分析低1-2個數(shù)量級。該傳感器最快的核酸檢測速度約為1分鐘,并實現(xiàn)了直接的五合一混合測試。由于快速、超靈敏、易于操作的特點以及混合檢測的能力,這一傳感器在大規(guī)模范圍內(nèi)篩查新冠病毒和其他流行病感染者方面具有巨大的前景。該工作發(fā)表在《Journal of the American Chemical Society》(IF=16.383)。

圖4. 利用MicroWriter ML3制備基于g-FET的Y形雙探針生物傳感器。

                      (a)Y形雙探針生物傳感器進(jìn)行SARS-CoV-2核酸檢測的流程圖。

                     (b)選定的病毒序列和探針在檢測SARS-CoV-2時所靶向的核酸。ORF1ab: 非結(jié)構(gòu)多蛋白基因; S: 棘突糖蛋白基因; E: 包膜蛋白基因; M: 膜蛋白基因; N: 核衣殼蛋白基因。圖中數(shù)字表示SARS-CoV-2 NC_045512在GenBank中基因組的位置。

                      (c)經(jīng)過MicroWriter ML3光刻制備的生物傳感器的封裝結(jié)果。圖中的比例尺為1cm。

                      (d)通過MicroWriter ML3制備的石墨烯通道的光學(xué)照片。

                      (e)在石墨烯上的Cy3共軛Y型雙探針。圖中的比例尺為250μm。

二維材料場效應(yīng)管器件制備

石墨烯的發(fā)現(xiàn)為人類打開了二維材料的大門,經(jīng)歷十多年的研究,二維材料表現(xiàn)出的各種優(yōu)良性能依然吸引著人們。然而,在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用二維材料仍然存在著很多問題,所制成的器件不能符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

近日,復(fù)旦大學(xué)包文中教授課題組通過利用機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 算法來評估影響工藝的關(guān)鍵工藝參數(shù)MoS2 頂柵場效應(yīng)晶體管 (FET) 的電氣特性[4]。晶圓尺寸的器件制備的優(yōu)化是利用先利用機(jī)器學(xué)習(xí)指導(dǎo)制造過程,然后使用MicroWriter ML3 無掩膜光刻機(jī)進(jìn)行制備,最終優(yōu)化了遷移率、閾值電壓和亞閾值擺幅等性能。相關(guān)工作結(jié)果發(fā)表在《Nature Communication》(IF=17.694)。

圖5. MoS2 FETs的邏輯電路圖。

(a),(b),(c)和(d)各類電壓對器件的影響。

(e)使用MicroWriter ML3無掩膜激光直寫機(jī)制備的正反器和(f)相應(yīng)實驗結(jié)果

(g)使用MicroWriter ML3無掩膜激光直寫機(jī)制備的加法器和(h)相應(yīng)的實驗結(jié)果。

圖6. 利用MoS2 FETs制備的模擬,儲存器和光電電路。

(a)使用MicroWriter ML3無掩膜光刻機(jī)制備的環(huán)形振蕩器和(b)相應(yīng)的實驗結(jié)果。

(c)通過MicroWriter ML3制備的基于MoS2 FETs制備的存儲陣列和(d-f)相應(yīng)的實驗結(jié)果。

(g)利用MicroWriter ML3制備的光電電路和(h-i)相應(yīng)的表現(xiàn)結(jié)果。

圖7. 使用MicroWriter ML3無掩膜激光直寫機(jī)在晶圓上制備MoS2場效應(yīng)管。

(a)MicroWriter ML3在兩寸晶圓上制備的基于MoS2場效應(yīng)管的加法器。

(b),(c)和(d)在晶圓上制備加法器的運算結(jié)果。

鈣鈦礦材料柔性器件制備

質(zhì)子束流的探測在光學(xué)基礎(chǔ)物理實驗和用于癌癥治療的強(qiáng)子療法等領(lǐng)域是十分重要的一項技術(shù)。傳統(tǒng)硅材料制備的場效應(yīng)管裝置由于價格昂貴很難被大規(guī)模用于質(zhì)子束流的探測。塑料閃爍體和閃爍纖維也可以被用于質(zhì)子束流的探測?？墒腔谏鲜霾牧系脑O(shè)備需要復(fù)雜的同步和校正過程,因此也很難被大規(guī)模推廣應(yīng)用。在最近十年間科學(xué)家把目光投向了新材料,為了找出一種同時具有出色的力學(xué)性能和造價低廉的材料,用以大規(guī)模制質(zhì)子束流探測設(shè)備。鈣鈦礦材料近來被認(rèn)為是制備質(zhì)子束流探測器的理想材料。首先,鈣鈦礦材料可以通過低溫沉積的方法制備到柔性基底上。第二,該材料的制造成本相對較低。鈣鈦礦材料已被用于探測高能光子,阿爾法粒子,快中子和熱中子等領(lǐng)域。對于利用鈣鈦礦材料制備的探測器探測質(zhì)子束的領(lǐng)域尚屬空白。

近日,意大利博洛尼亞大學(xué)Ilaria Fratelli教授課題組利用MicroWriter ML3無掩模激光直寫機(jī)制備出用于質(zhì)子束探測的3D-2D混合鈣鈦礦柔性薄膜檢測器[5]。在5MeV質(zhì)子的條件下,探測器的探測束流范圍為從4.5 ×10⁵ 到 1.4 ×10⁹ H⁺ cm^?2 s^?1,可連續(xù)檢測的輻射最高敏感度為290nCGy^?1mm^?3,檢測下限為72μGy s^?1。該工作結(jié)果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Advanced Science》(IF=17.521)。

圖8. MicroWriter ML3在PET柔性基板上制備的3D-2D鈣鈦礦薄膜器件。

(A)MAPbBr3 (3D) 和(PEA)2PbBr4 (2D)鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)示意圖。

(B)通過MicroWriterML3無掩模激光直寫機(jī)制備出的檢測器,圖中標(biāo)尺長度為500μm。

(c)3D-2D混合鈣鈦礦材料的低掠射角XRD結(jié)果。

(d)3D-2D混合鈣鈦礦材料的AFM表面形貌圖。

圖9. 3D-2D鈣鈦礦材料的電學(xué)和光電學(xué)方面的性能。

(A)由MicroWriterML3無掩模光刻機(jī)制備柔性器件。

(B)通過MicroWriterML3制備的柔性器件在不同彎曲程度條件下的電流-電壓曲線圖。

(C)3D-2D鈣鈦礦材料柔性器件的PL光譜結(jié)果。

(D)3D-2D鈣鈦礦材料柔性器件的紫外-可見光光譜。

參考文獻(xiàn)

[1] Y. Wang, et al. An in-memory computing architecture based on two-dimensional semiconductors for multiply-accumulate operations. Nature Communications, 12, 3347 (2021).

[2] P. Liu, et al. Separation and Enrichment of Yeast Saccharomyces cerevisiae by Shape Using Viscoelastic Microfluidics. Analytical Chemistry, 2021, 93, 3, 1586–1595.

[3] D. Kong, et al. Direct SARS-CoV-2 Nucleic Acid Detection by Y-Shaped DNA Dual-Probe Transistor Assay. Journal of the American Chemical Society, 2021, 143, 41, 17004.

[4] X. Chen, et al. Wafer-scale functional circuits based on two dimensional semiconductors with fabrication optimized by machine learning. Nature Communications, 12, 5953 (2021).

[5] L. Basirico, et al. Mixed 3D–2D Perovskite Flexible Films for the Direct Detection of 5 MeV Protons. Advanced Science, 2023,10, 2204815.

MicroWriterML3無掩模光刻機(jī)簡介

MicroWriter ML3無掩模直寫光刻系統(tǒng)由英國劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室/英國皇家科學(xué)院院士Russell Cowburn教授(https://www.phy.cam.ac.uk/directory/cowburnr)根據(jù)其研究工作的需要而專門設(shè)計開發(fā)的科研及研發(fā)生產(chǎn)光刻利器。

圖10. a)MicroWriter ML3無掩模光刻系統(tǒng)。MicroWriter ML3b)在正膠上制備線寬為400nm的結(jié)構(gòu),c)正膠上制備的電極結(jié)構(gòu),d)在SU8負(fù)膠上制備的高深寬比結(jié)構(gòu)和e)灰度微結(jié)構(gòu)。

MicroWriterML3的優(yōu)勢:

1)實驗成本低:相比于傳統(tǒng)光刻機(jī),該光刻系統(tǒng)無需掩膜板,同時它也可以用來加工掩膜板,年均可節(jié)省成本數(shù)萬元;

2)實驗效率高:通過在計算機(jī)上設(shè)計圖案就可輕松實現(xiàn)不同的微納結(jié)構(gòu)或器件的加工,同時具有多基片自動順序加工功能;

3)光刻精度高:系統(tǒng)具有多組不同分辨率的激光加工模塊(0.4um,0.6um, 1um,2um, 5um),且均可通過軟件自由切換;

4)加工速度快:最高可實現(xiàn)180mm2/min的快速加工;

5)具有3D加工能力:256級灰度,可實現(xiàn)Z方向的不同深淺的加工;

6)適用范圍廣:可根據(jù)光刻需求的不同,配備365nm,385nm和405nm波長光源或安裝不同波長雙光源;

7)使用成本低:設(shè)備的采購,使用和維護(hù)成本低于常規(guī)的光刻系統(tǒng)。

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