上海科技大學物質科學與技術學院王宏達課題組與孫兆茹課題組開展實驗與理論協作，在低介電常數（low k）材料探索研究取得重要進展，研究成果以「Inorganic Low k Cage-molecular Crystals」為題，在國際知名學術期刊Nano Letters上在線發表。
圖1 表徵α-Sb2O3分子晶體的介電常數
(Nano Letters文章ToC圖)
集成電路微晶片中的介電物質，是未來微芯性能能否突破的關鍵之一。隨著晶片中的器件尺寸持續減小，單位面積內器件密度不斷增大，器件互連導線的電阻和之間電容的互連延遲也顯著增加；其中電容部分的延遲問題需要具有low k性質的絕緣介電材料才能解決；目前晶片業的low k技術有效地降低二氧化矽（k ～ 3.7）的k值至2.4，滿足目前主流的7納米製造工藝，但未來該技術要支撐尺度更小的集成電路微晶片製造，將面臨到一些未知技術難題，這也推動了對新型low k材料的探索和開發。
圖2 Sb4O6類金剛烷籠狀分子偶極矩理論計算
（詳見Nano Letters文章圖3）
目前，新型low k介電材料的研究主要集中在輕元素組成的物質。不同於傳統或過去被報導過的創新手段，上科大研究人員使用化學氣相法合成出了由六氧化四銻（Sb4O6）類金剛烷籠狀分子自組裝而成的二維α相三氧化二銻（α-Sb2O3，俗稱銻白）納米片，在掃描微波阻抗顯微鏡分析下，研究人員發現該材料具有異常低的k值，僅在2.0~2.5之間（圖1）。該發現和Sb-O化學鍵本身具有高偶極矩有很大的衝突，說明利用籠狀分子晶體結構，重元素組成的化合物也能成為未來low k介電材料。研究人員進一步通過現代極化理論計算發現，Sb4O6籠狀分子結構上的高度對稱性，以及Sb4O6分子間的有序自組裝特性，使得該材料具有較低的偶極矩（圖2）和總極化率，再加之該分子晶體的分子密度遠小於傳統low k材料（二氧化矽）的特點，從而導致總體Sb4O6分子晶體具有異常的low k特性。該文章還報導了α-Sb2O3二維納米片具有約5.6 eV超大光學帶隙，可耐受高達550 ℃的高溫熱穩定性，以及高達1.4~2.5 MV/cm的優異電擊穿強度（圖3），這些性質都意味α-Sb2O3可以是一種優質low k介電材料。審稿人對該工作給予了高度評價，並提到「The properties are highly sought for in terms of advancing integrated-circuit fabrication.」，也點出「Ultimately, the application of such material in nanoelectronics will involve some device structures.」 。low k籠狀分子晶體付諸器件的應用前景廣泛，有待研究人員未來更全面、深入的探索。
圖3 表徵電擊穿強度器件
（詳見Nano Letters文章圖4）
該器件製備於軟納米平臺
上海科技大學為本論文成果唯一完成單位。文章第一作者彭俊為王宏達課題組2017級碩士生，2020年獲上科大碩士學位，目前在德國攻讀博士學位。第二作者濮偉雯為孫兆茹課題組2019級研究生，負責極化相關的理論計算工作。第三作者陸盛楠為王宏達課題組博士後，出站後任職於軟納米平臺，在本論文中負責FEA和sMIM探測。物質科學與技術學院孫兆茹教授、王宏達教授為論文共同通訊作者。本論文中材料表徵和器件性能研究獲物質學院軟納米平臺、電鏡中心和分析測試中心共同支持；該研究獲得上科大啟動基金支持。
來源：上海科技大學 圖文 王宏達排版 張麗敏供稿 陳 蕾編輯 高 瑄