第一情报 ---材料工业

国外电子材料科学的新进展(截止2009年9月)

供稿人:汪逸丰  供稿时间:2010-1-27   关键字:电子  材料  
目前对于电子材料的研究重点集中在半导体材料的性能提升和成本降低、超导体临界温度的进一步提高、超绝缘体与超导体关系、非金属物质导电机理探究、计算机存储能力的扩大、压电体材料研究、生物和光学材料在电子行业的应用等方面。电子材料研究的主要方向有:
(一)新型半导体材料对硅极限的突破
半导体材料是电子领域极为重要的组成部分,在电视机、无线电收音机等领域有着广泛的应用。而目前半导体行业面临的最严峻问题是传统半导体材料——硅制成的晶体管的尺寸缩小很快就要达到极限,届时,利用硅制得的半导体的性能将不再具有进一步开发的潜力。因此,寻求一种新的半导体制作材料,以替代硅,从而获得更大的发展空间和更低的制造成本已成为科学家最为关注的热点之一。美、日、英等国在此方面近两年来研究颇多,并都有所斩获,但这些实验结果尚未能完全应用到实际生产上去。
 
日本京都大学的研究人员正在研究可能使半导体制作成本下降的三氧化二锡和四氧化三锡材料合成的可能性,并已从理论上证实了这两种锡氧化物研制的可行性;该国产业技术综合研究所利用高纯度半导体单层碳纳米管试制成了晶体管。美国伦斯勒理工学院与普利斯特公司合作开发出一种名为“PES”的低成本可快速干燥的新型聚合物以期削减半导体制造与电脑芯片封装的成本并提高效率;斯坦福大学则在开发石墨纳米带制作半导体晶体材料的潜能;伊利诺斯大学正在试图研制可在高压高能环境下工作的微型等离子晶体管;密歇根大学则致力于用纳米材料,开发能够替代高成本、制造复杂的晶体管忆阻器及能够装载大量忆阻器的芯片;此外,IBM公司近期攻克了石墨构建纳米电路会造成极大噪音的难题,通过双层石墨烯的制备,成功将晶体管的电噪声降低了10倍。英国帝国理工学院科学家正在对一种称为PFO的塑料材质的分析结构进行改进,为一向由无机半导体材料制作的激光二极管寻找新的有机替代材料;该国另一组科学家则在缩小晶体管体积方面下苦功夫,研制出了由石墨烯材料制成的只有1个原子厚、10个原子宽的超小型晶体管,目前仍处于试验阶段。
(二)超导现象的机理研究及高温超导材料的实用化
自1911年,荷兰科学家卡末林*昂内斯发现超导现象以来,科学家们便争相研制具有这种神奇性能的实用性材料。但迄今为止,人们对于不同超导体的许多特点及其微观机制仍然知之甚少,研究仍处于“初级”阶段。阻碍超导体实用化的最大问题是其临界温度过低,即使是所谓的“高温超导体”,其临界温度也远低于零摄氏度,致使高温超导材料的制备困难,阻碍了其进一步的应用。因此,国外科学界一直将突破高温超导体的临界温度和简化其制备方法作为研究的主攻方向。此外,对于超导现象的内部机理的探究也是热点。早在1993年,法国科学家就发现了临界温度在135K的汞钡钙铜氧超导体,但就近三年来发布的研究成果来看,对高温超导材料临界温度的研究尚未获得新的突破,不过,在新型高温超导材料的制备和超导理论的研究方面,科学家们获得了一定进展。
 
目前,德国马普固体研究所已通过测试发现电子在超导体费米表面运动时会形成能量空隙,这一发现将有助于完善先前的超导理论;该国与加拿大合作组建的国际科研小组则发现了一类新的超导体——分子氢化物,这种物质的研发有可能为工业用超导材料的制备提供线索。美国莱斯大学和罗格斯大学的科学家们对于铁基高温超导提出了新的理论,对于这种新兴高温超导材料在帮助了解超导机理方面的作用寄予了极大的希望;另一个由美、日若干大学联合的研究结果则提出了用于解释超导材料在增加电子结合能情况下转变温度反而降低这一反常理现象新理论,称为“量子赛车”效应,并正在寻求疏通这一“赛车”现象的解决方法;此外,美国科学家还制造出了纳米尺度的高温超导薄膜。日本物理学家于2008年2月发现了铁基高温超导材料,并于2009年6月首次开发出铁系超导材料的简易制作方法,日本东北大学则研究出将氧化物绝缘体转变成超导体的新方法,在超导体方面日本近几年的成果不少。
(三)创建低耗超级电路的新型绝缘体材料的研究
国外近期对于绝缘体材料的研究主要集中于非金属物质导电现象的研究、超绝缘体与超导体关系探究两大方面。美欧国家在此领域有所建树。
 
非金属物质导电现象研究方面,荷兰科学家正致力于有机绝缘材料导电性的研究。荷兰代尔夫特理工大学研究人员发现两种不同有机绝缘材料压合在一起后,接触界面具备导电能力,为利用非金属物质制造电子原件提供了可能性,但绝缘体的这一导电现象至今仍然是一个谜。
 
在超导体与超绝缘体的转化方面,美国等多国都投入诸多精力。2007年美国Brown大学研究人员JamesValles宣布其在被冷却到接近绝对零度、具有无限大电阻的常用超导体材料铋(bismuth)制成的超绝缘体中发现了既能导电又能完全阻绝电流的库柏对;此后,一个由美国、俄罗斯、德国和比利时的科学家组成的研究小组于2008年在《自然》杂志上发表文章,称发现了由超导现象引起的氮化钛薄膜的超绝缘现象。上述两项发现将有助于人们创造出低耗能甚至无热耗的超级电路,为制造新型电子组件和解决一系列化学电源问题打下基础。
(四)提高信息存储能力的新型材料及器件的制备技术
计算机技术对于进入信息化时代的各国来说都有着至关重要的经济推动作用,提高其信息存储能力一直是科学界和企业界共同关注的课题。科学家们正在努力扩充存储器容量,并寻求保护存储信息免于损坏的良方。
 
美国宾夕法尼亚大学研究人员研制出一种以纳米线为基础的可存储“0”、“1”、“2”三位数的新型信息存储器件,为提高信息存储器的存储密度提供了可能,而此前传统的存储器件仅能存储“0”、“1”两位值。该研究小组还将继续研究纳米线规格及其化学成分对电子性能可能产生的影响,以寻找具有全新特征的电子器件;为了解决铁电材料在制造非易失性存储器时容易被传统光刻技术损坏的问题,德国马普学会微结构物理研究所的研究人员则联合韩国科学家运用一种称为模板构图(stencil patterning)的方法制备出高密度铁电纳米电容阵列,以此来替代传统光刻技术。这种技术不会对敏感的铁电结构造成伤害,有望进一步推广和实用化。
(五)压电体材料的深入研究及自我供电模式的研发
压电体是一类在受挤压和拉伸时,两端会产生不同电荷的晶体材料,很早就开始运用到声纳装置中去,如今已广泛应用于蒸汽机、内燃机、麦克风、石英表等设备或器具里。美国在此方面的研究处于领先,最新的研究方向有压电体材料的性质机理分析及自我供电装置的研发等,目的是优化医学超声波成像仪器、扩音器、手机、声纳、计算机硬盘等设备的性能并延长各种电池的寿命。
 
目前,美国国立标准化与技术研究所(NIST)、美国Brookhaven国家实验室以及约翰•霍普金斯大学正在联合研究弛豫铁电体材料系统内部的原子“声振动”(acoustic vibrations)响应外部施加的电压的机理,并取得了一定进展;美国德克萨斯州A&M大学正在研究利用压电体材料性质,将声波转变为能量,从而为手机开发自我供电的装置。该装置的试制已初步取得成功。此前,美国国防高级研究计划局(DARPA)就已在研究军用发电装置的制造,并已开发出能将行走产生的能量转换为电能的装置。
(六)对纳米计算机基本材料——超立方体的探索
为了进一步延长摩尔定律的寿命,使计算机的电子部件尽早突破构成其核心部分的硅材料性能瓶颈的极限,美国正在加紧探寻新的路径以创造更为先进高效且体积微小的纳米计算机基本材料——超立方体(hypercubes)。目前,美国已有研究机构提出了名为“M-超立方体”的新型超立方体变体的构想,理论上,它能提供更高纬度的布局以支持纳米计算机中的三维集成电路。研究尚处于理论阶段,诸多方面有待于进一步深入探讨。
(七)利用碳纳米管复合材料实现电子设备的便携化
电子设备的便携性是当下电子产业发展的趋势之一。日本的研究人员已设计出一种具有超级伸展性的橡胶状物质,它是由碳纳米管-弹性体复合材料混合到有机晶体管的主动式矩阵排列中而成。该物质具有极佳的导电性能,为电子装置在各种场所的安装提供可能,有助于扩大电子组件的使用范围,其潜在的使用领域有机器人手臂的关节处等。
(八)纳米线电路制备方法的突破
尽管半导体纳米线已可以用廉价的化学方法大量合成,然而有效地将其组装成电路仍旧是一大挑战。哈佛大学与德国耶拿大学的研究人员借助旋涂玻璃技术以及光刻技术开发出一种再现性好、高容量、低成本的硅纳米线电路制造方法。通过这种方法制得的器件可作为发光二极管,只要改变纳米线的种类,就可改变发光的颜色。
(九)开发智能皮肤天线实现无线天线的隐形化
现在飞机、汽车及移动电话所使用的无线天线正不断缩短,朝着隐形方向发展。韩国电子和电信研究所与浦项工业大学的研究人员正在开发只有一个电子元件薄片大小的智能皮肤天线材料,以期将其运用到雷达、通信、广播接收和GPS等领域,使各种设备免于安装需要外部空间的天线设备,使外表更美观、运行更稳定和快速。
(十)生物材料的特殊结构在诊断工具和芯片制造上的应用
科学家们对生物材料的特殊结构在电子方面的应用也产生浓厚的兴趣。美国研究人员利用脂膜纳米导线开发出一种融入生物成分的纳米电子装置,以求改善诊断工具的性能,提高神经修复技术的水平;威斯康星大学和华盛顿大学的科学家则正在根据硅藻材料的特性,寻求利用这一物质制造芯片的可能。
(十一)制造光学电路的新型材料的研发
光学在电子领域也有着开发的巨大潜力。目前,台湾新竹清华大学的科学家利用氧化镓和纳米金粒子研发出光集成电路的新材料,该材料将绿光照射产生的电流,转换成0与1数字讯号,有可能成为下一代光学计算机的基本建构单元;美国斯坦福大学正在研制能够在同一时间里单向传播光的光隔离器,这种设备有助于未来芯片的光学电路的开发;此外,科学家还研制出一种可掩蔽磁场的超材料——人工超导结构,这种材料能够以特殊方式引导光的走向,从而可以在电路保护或敏感诊断方面有所作为。
(十二)可扩大电容器电量的新型材料的研究
随着现代电子产品功率的不断提高,研究人员一直在寻找能够储存更多电量的电容器材料。宾夕法尼亚州立大学的材料科学家2009年5月发现一种由钡硼铝硅酸盐构成的薄工业玻璃,能够比常见高能电容器材料聚丙烯携带高出一倍的电荷,且制造成本低廉,从而为更大电容量的低成本电容器的规模化制造提供了可能。
 
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