每个人都想拥有“充电五分钟，通话两小时”的理想手机。而这个简单的“理想”却代表着对电子产品中半导体材料和器件性能的追求。手机里芯片快速数据运算过程和电池能量存储过程都发生在只有头发丝直径万分之一的纳米尺度下，而这些过程会影响到产品的工作稳定性和服役寿命。

近年来，围绕这一前沿基础科学问题，北京科技大学材料科学与工程学院教授、中国科学院院士张跃团队在国家重大科研仪器研制项目(自由申请)的支持下，开展了“纳尺度多场耦合效应的原位表征系统”研制工作。

日前，项目顺利通过结题验收，该仪器的成功研制，将实现对半导体材料在服役过程中各项指标的原位监测。研制过程中，科学家率先实现了在超高真空、极低温、多波段光谱入射采集、纳牛级应力精确加载等条件下，材料微观原子结构、界面能带结构、器件电学性能的跨尺度原位表征。

过去几十年来，研究者已经在金属材料体系中建立起成熟的材料服役研究和表征方法，监测其服役过程中的各项指标，从而对材料的服役可靠性进行精准判断。

但是，针对半导体材料服役行为的研究却面临较大挑战。据研究人员介绍，一方面，随着芯片集成度提升，半导体器件中材料越来越小，如今单个晶体管核心结构单元的尺寸小于10纳米;另一方面，随着可穿戴设备和便携设备的发展，半导体材料与器件的工作环境越来越复杂，冷热交替、潮湿、弯折与柔性等环境都对材料和器件有了更加严苛的要求。他们意识到，建立能在多场耦合服役条件下针对低维半导体材料的结构和性能演变规律进行原位研究的方法与技术手段，对研制下一代半导体材料与器件尤为重要。

与此同时，国家未来发展对于下一代半导体材料与器件也有重大现实需求。在这样的背景下，研究团队决定自主研制一台新仪器，以在纳尺度多场耦合效应下进行半导体材料和器件性能调控与服役行为原位科学研究。

2016年，在国家自然科学基金资助下，国家重大科研仪器研制项目(自由申请)“纳尺度多场耦合效应的原位表征系统”正式立项。研制这一新仪器的难点在于，通过多物理场耦合模拟半导体材料和器件的实际工作条件，从纳尺度原位揭示半导体材料与器件界面载流子输运行为与调控规律。同时，通过材料结构和界面的精细设计，提高半导体器件性能，设计构筑低功耗、高性能的半导体器件，研究建立纳尺度下半导体材料与器件的服役行为研究方法与评价标准。

面向未来，研究团队表示，目前的设备仅是1.0版本，在调试和使用的过程中，设备从系统、软件、硬件等多方面将不断简化、优化，经过几年时间的调试，有望达到成果转化需求。该设备能为研制低功耗晶体管、高效率光电转换器件、自驱动可穿戴人工智能传感器件等提供技术支撑。