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《武大实现碳纳米材料分离薄膜里程碑式突破 成果登上《科学》》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2019-06-18

  • 6月14日， Science (《科学》)在线发表了武汉大学在纳米孔过滤薄膜领域的最新研究成果。

    论文题为“Large-area graphene-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionic and molecular nanofiltration”（《大面积石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜在离子和分子纳滤中的应用研究》），第一署名单位为武汉大学，武汉大学化学与分子科学学院2014级博士生杨雁冰和2015级硕士生杨向东为共同第一作者，袁荃教授、加州大学洛杉矶分校段镶锋教授为通讯作者。

    单原子层厚的纳米多孔二维材料是构建超薄、高效分离膜的理想材料。然而，将原子层厚的二维材料应用于实际分离研究面临着两方面的难题：一是如何制备具有优异机械强度和柔性的大面积无裂缝纳米孔二维薄膜；二是如何在薄膜内部引入高密度均一孔径分布的亚纳米孔，实现水分子的高效选择性通过和溶质分子的有效截留。

    这项研究首次报道了一种具有优异机械性能的大面积石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜，具有高的水渗透率、离子和分子截留率以及优异的抗污染性能。此项研究克服了二维材料在实际分离领域的局限性，是将二维材料推向实际分离应用的关键一步，代表了二维材料和碳纳米材料分离薄膜发展过程中的里程碑式突破。

    该研究受到了科技部国家重点研发计划“纳米科技”重点专项青年项目（2017YFA0208000）、国家自然科学基金面上项目（21675120）、中组部“相关人才计划”青年拔尖人才支持计划等项目的支持。

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  • 《碳纳米管：个性十足的神奇材料》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2018-07-27
    • 　　近日，中国科学技术大学化学与材料学院杜平武教授课题组，首次利用纳米管稠环封端“帽子”模板，构建出纵向切割的纳米管弯曲片段。这种通过三个弯曲型分子连接两个石墨烯单元的方法，可直接得到纳米笼状结构，为构建封端锯齿型碳纳米管提供了新思路。相关研究成果发表在最新一期《德国应用化学》上。 　　无独有偶。几乎在同时，以研制出世界上第一颗原子弹而闻名于世的洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员，使用功能化碳纳米管生产出首个能在室温下使用通信波长发射单光子的碳纳米管材料。神奇材料碳纳米管，为何如此受各国科学家追捧？ 　　空间结构像“挖空的足球” 　　1985年，“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光。将“足球”挖空，保持表面的五角和六角网格结构，再沿着一个方向扩展六角网格，并赋予平面网格以碳—碳原子和共价键，就形成了具有中空圆柱状结构的碳纳米管。 　　碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料。其主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，约0.34纳米，直径一般为2—20纳米。 　　“可以将碳纳米管联想为头发丝，而实际上它的直径只有头发丝的几万分之一，即几万根碳纳米管并排起来才与一根头发丝相当。”杜平武教授告诉科技日报记者，作为典型的一维纳米结构，单层碳原子和多层碳原子网格卷曲而成的单壁与多壁碳纳米管，直径通常为0.8—2纳米和5—20纳米，目前报道的最细碳纳米管直径可小至0.4纳米。 　　杜平武告诉记者，碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。若依其结构特征，碳纳米管则可分为扶手椅形纳米管和锯齿形纳米管等几种类型。 　　制备方法是挑战 　　“通常的碳纳米管制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。”杜平武告诉记者，电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现的碳纳米管。“这种方法比较简单，但很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层碳纳米管。” 　　“随后科研人员又发展出了化学气相沉积法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷，得到的碳纳米管纯度比较高，但管径不整齐，形状不规则。”杜平武说，后续逐步发展起来的固相热解法等，均受限于环境和条件。 　　“碳纳米管的制备过程与有机合成反应类似，其副反应复杂多样，很难保证同一炉碳纳米管均为扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管。”杜平武说，在强酸、超声波作用下，碳纳米管可以先断裂为几段，再在一定纳米尺度催化剂颗粒作用下增殖延伸，而延伸后所得的碳纳米管与模板的卷曲方式相同。 　　“如果通过类似于DNA扩增的方式对碳纳米管进行增殖，那么只需找到少量的扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管，便可在短时间内复制、扩增出数量几百万倍于模板数量的、同类型的碳纳米管。”杜平武说，这可能会成为制备高纯度碳纳米管的新方式。 　　性能及尺寸超越硅基材料 　　“碳纳米管具有完美的一维管式结构，碳原子以碳—碳共价键结合，形成自然界中最强的化学键之一，因此轴向具有很高的强度和韧性。此外六角平面蜂窝结构围成的管壁侧面没有悬挂键，所以碳纳米管具有稳定的化学特性。”杜平武说，碳纳米管优异的性能表现在电学、热学和光学等方面，具有超越传统的导电、导热特性等等。 　　2013年，斯坦福大学科学家制备了由平行排列的单壁碳纳米管为主要元器件的世界上最小“计算机”。近两年，碳纳米管电子器件的性能及尺寸又一次次被突破，势在超越并最终取代目前商用的硅基器件。 　　碳纳米管还可以制成透明导电的薄膜，用作触摸屏的替代材料。且原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体，不受稀有矿产资源的限制。碳纳米管触摸屏具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性，可以做成曲面，已在可穿戴装置、智能家具等领域得到应用。 　　碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象的最细毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应的最细试管，科学家甚至研制出能称量单个原子的“纳米秤”。“我国在碳纳米管材料的基础研究方面处于领先地位，结构均一性的控制方法和理论不断创新，控制指标也逐年刷新。”杜平武说。
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  • 《中国大陆半导体材料市场的新突破》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-03-27
    • 半导体材料是半导体产业发展的基础，它融合了当代众多学科的先进成果，在半导体制造技术不断升级和产业的持续创新发展中扮演着重要角色。半导体技术每前进一步都对材料提出新的要求，而材料技术的每一次发展也都为半导体新结构、新器件的开发提供了新的思路。2019年，国内半导体材料在各方共同努力下，部分中高端领域取得可喜突破，国产化进一步提升。 行业整体影响下，市场规模小幅下滑 受行业整体不景气影响，2019年全球半导体材料市场营收下滑显著，但下降幅度低于整体半导体产业。据中国电子材料行业协会统计，2019年全球半导体材料整体市场营收483.6亿美元（约合人民币3430.7亿元），同比2018年的519.4亿美元下降6.89%。 从材料的区域市场分布来看，中国台湾地区是半导体材料最大区域市场，2019年市场规模达114.69亿美元；中国大陆市场规模81.90亿美元（约合人民币581.5亿元）；韩国市场规模76.12亿美元。 来源：CEMIA 从晶圆制造材料与封装材料来看，2019年全球半导体晶圆制造材料市场规模293.19亿美元，同比2018年的321.56亿美元下降8.82%；2019年全球半导体晶圆封装材料市场规模190.41亿美元，同比2018年的197.43亿美元下降3.56%。 2019年中国半导体材料市场规模81.90亿美元，同比2018年的84.92亿美元下降3.56%，其中晶圆制造材料市场规模27.62亿美元，同比2018年的28.17亿美元下降1.95%；封装材料市场规模54.28亿美元，同比2018年的56.75亿美元下降4.35%。 2019年7月22日，科创板首批公司上市。安集微电子作为国内CMP抛光液龙头，成为首批登陆科创板的25家企业之一，久日新材、华特气体、神工股份等紧随其后，成功登陆科创板，与此同时，正帆科技、格林达等半导体材料企业在登陆资本市场的进程中进展顺利，有望在新的一年迎来里程碑，拓宽了各企业的融资渠道，也为行业整体发展注入新的保障。 细分领域发展不一，部分中高端领域取得可喜突破 综合各领域来看，部分领域已实现自产自销，靶材、电子特气、CMP抛光材料等细分产品已经取得较大突破，部分产品技术标准达到国际一流水平，本土产线已基本实现中大批量供货。2019年我国半导体材料生产企业用于国内半导体晶圆加工领域的销售额达138亿元，同比增长4.4%。整体国产化率提高到23.8%，充分显示了近年来企业综合实力的提升。 硅片方面，2019年国内市场规模8.12亿美元，同比增长1.63%。作为半导体材料中成本占比最高的材料，国内12/8英寸硅片企业已超过16家，拟在建产线迭出，2019年各主要产线稳步推进。衢州金瑞泓成功拉制出拥有完全自主知识产权的量产型集成电路用12英寸硅单晶棒；中环领先12英寸硅片厂房安装了第一套设备；徐州鑫晶半导体12英寸大硅片长晶产线试产成功，并陆续向国内和德国等多家客户发送试验样片；业界普遍关注的上海新昇28nm逻辑、3D-NAND存储正片通过了长江存储的认证；有研科技集团与德州市政府、日本RST公司等共同签约，建设年产360万片的12英寸硅片产业化项目。尽管各企业小而分散，但大硅片真正实现国产化前景可期。 光掩膜方面，与旺盛的需求形成反差的是国内高端掩模保障能力不足，大量订单流向海外。目前，半导体用光掩膜国产化率不足1%。内资企业中真正从事半导体用光掩模生产的仅有无锡中微，研究机构有中国科学院微电子所及中国电科13所、24所、47所和55所等，过去一年里，行业取得的实质性突破较少。 光刻胶方面，目前国内集成电路用i线光刻胶国产化率10%左右，集成电路用KrF光刻胶国产化率不足1%，ArF干式光刻胶、ArFi光刻胶全部依赖进口。2019年，南大光电设立光刻胶事业部，并成立了全资子公司“宁波南大光电材料有限公司”，全力推进“ArF光刻胶开发和产业化项目”落地实施；同时与宁波经济技术开发区管理委员会签署了《投资协议书》，拟投资开发高端集成电路制造用各种先进光刻胶材料以及配套原材料和底部抗反射层等高纯配套材料，形成规模化生产能力，建立配套完整的国产光刻胶产业链。上海新阳248nm光刻胶配套的光刻机已完成厂内安装开始调试，193nm光刻胶配套的光刻机也已到货。经过近三年的研发，关键技术已有重大突破，已从实验室研发转向产业研发。 湿化学品方面，目前半导体领域整体国产化率23%左右。2019年，兴发集团控股子公司湖北兴福电子材料有限公司技术创新取得重大突破，电子级磷酸顺利通过了中芯国际12英寸28nm先进制程工艺的验证测试，开启了对中芯国际先进制程Fab端的全面供应。此外，长江存储、厦门联芯等先进12英寸Fab也开启了验证测试。多氟多抓住日韩贸易战机会，电子级氢氟酸稳定批量出口韩国高端半导体制造企业，进入韩国两大半导体公司的供应链中，被最终应用在3D-NAND和 DRAM的工艺制程中，使电子级氢氟酸产品打开国门走向世界。 电子特气方面，目前我国半导体用电子特气的整体国产化率约为30%。2019年，华特气体激光准分子混合气国内大规模起量应用，同时进军海外市场；金宏气体TEOS研发确定重点进展，即将投放市场；绿菱高纯电子级四氟化硅质量稳步提升，国内市场份额逐步提高；博纯股份氧硫化碳研发成功；南大光电与雅克科技加大了前驱体研发力度。此外，中船七一八所也加大了新含钨制剂的研制。 CMP抛光材料方面，安集微电子的后道Cu/Barrier抛光液技术水平与国内领先集成电路生产商同步，TSV抛光液在国际和国内均在领先水平，这几类抛光液2019年在14nm节点上实现小规模量产。鼎龙股份不仅完善了自身的CMP抛光垫型号，从成熟制程到先进制程完成全覆盖，而且进入了长江存储供应链，大部分产品均在晶圆厂进行验证和测试。 靶材方面，江丰电子已成功突破半导体7nm技术节点用Al、Ti、Ta、Cu系列靶材核心技术并实现量产应用，5nm技术节点的研发工作稳步进行中。有研亿金持续推进实现纳米逻辑器件和存储器件制备用贵金属及其合金相关靶材的开发与使用。 先进封装材料方面，高端承载类材料蚀刻引线框架与封装基板、线路连接类材料键合丝与焊料、塑封材料环氧塑封料与底部填充料等仍高度依赖进口，2019年国内企业主要在中低端领域有所突破，高端领域个别品种实现攻关。 不确定因素增加，半导体材料业仍笃定前行 目前，国内半导体材料总体上形成了以龙头企业为载体，平台配合推进验证的能力，具备了一定的产业基础、技术积淀，以及人才储备，部分细分材料领域紧追国际水平。但是，先进技术节点材料市场整体仍被国外垄断，国产材料突破较少，关键环节核心材料空白，影响了整个产业安全。 半导体产业加速向中国大陆转移，中国正成为主要承接地，2020年业界普遍认为5G会实现大规模商用，热点技术与应用推动下，国内半导体材料需求有望进一步增长。大基金二期已完成募资，预计三月底可开始实质投资，主要围绕国家战略和新兴行业进行，比如智能汽车、智能电网、人工智能、物联网、5G等，预计将加大对国产半导体材料的投入力度，新一轮的资本介入，将助力半导体材料国产替代进度。 新年伊始，世界经济持续下行，全年经济疲弱似成定局，肺炎疫情给行业发展带来了冲击，中美贸易战仍未平息，2020年增加了诸多不确定因素。但在确定的发展目标下，国内半导体材料业必将笃定前行！
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