前沿进展：石墨烯微加热芯片研究

Research

Progress

原位透射电子显微镜（TEM）能够以超高的空间分辨率观察微观动态过程，而微机电系统(MEMS)则进一步将多种环境刺激高效集成到TEM样品中，二者的结合，使原位透射电子显微镜表征技术取得了长足的进步。其中，原位加热技术备受关注。传统的MEMS加热芯片，利用沉积在电子透明的悬空窗口（一般为氮化硅）上的金属电阻丝实现原位加热。但因为窗口材料与金属丝的热膨胀系数不同，芯片观察窗口会在加热过程中产生显著形变，导致成像失焦，影响动态观测，是该领域亟待解决的关键科学技术问题。低维材料独特的结构和物理性能将为原位透射电子显微镜表征技术的发展和问题的解决提供新的可能。

最近清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室博士生赵洁、纳米中心梁倞在导师范守善院士和魏洋副研究员、李群庆教授的指导下，发展了可用于原位TEM的石墨烯微加热芯片。他们将二维石墨烯材料代替传统的金属电阻加热器，大幅提升了原位加热芯片的性能。该加热芯片可在26.31 ms内加热至800 ℃，功耗仅为0.025 mW/1000 μm2。同时，在加热至650℃时，芯片因加热产生的形变仅约为50 nm，相比传统的金属加热芯片，该形变降低了约两个数量级，有效解决了在加热过程中芯片观察窗口因受热形变引发的失焦问题。石墨烯薄膜与悬空氮化硅窗口的结合不仅减小了器件整体的热容，同时也因为石墨烯表面无悬挂键，石墨烯与氮化硅之间为范德瓦尔斯接触，界面作用力较弱，改善了因热膨胀系数不匹配导致的加热变形问题。因此，得益于石墨烯的引入，该芯片升温快、功耗低且高温变形小。这项工作为石墨烯的芯片级应用和原位TEM表征技术开辟了新的发展方向。

图1 (a)石墨烯微加热芯片器件结构示意图；(b) TEM原位加热示意图；(c) 微加热芯片加热至300 ℃的红外热像

这项研究成果以 “Graphene Microheater Chips for In Situ TEM” 为题发表在国际著名学术期刊Nano Letters上。清华大学物理系魏洋副研究员和李群庆教授为该文的通讯作者，清华大学物理系博士生赵洁、纳米中心梁倞为文章的第一作者。该项工作得到科技部（2018YFA0208401， 2017YFA0205803）、国家自然科学基金（61774090， 51727805）、广东省重点领域研发计划（2020B010169001）和清华-富士康纳米科技研究中心的支持。

来源：清华大学物理系

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