《石墨烯国外行业动态:富士通制出全球热导最好的碳纳米管板/不会开裂的石墨烯基晶体管问世/石墨烯纳米发电机实现高效无线传输》

  • 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:2017-12-13
  • 1.最锋利的石墨烯纳米“镊子”成功制备,可高效捕获生物分子

    明尼苏达大学科学与工程学院的研究人员用石墨烯材料制成了微小的电子“镊子”,它能以极高的效率抓住漂浮在水中的生物分子,比以往所有技术都有效,它的出现可能会给手持式疾病诊断系统带来革命性发展。

    “镊子”其实是一种探针,通过介电电泳进行分子捕获。石墨烯片厚度薄,它的边缘是最锐利的探针,可解决以往金属电极太钝的问题。所以研究人员将薄的二氧化铪绝缘材料夹在金属电极和石墨烯之间,创建夹层结构的石墨烯镊子。这种原子镊子可以用来捕获、感知和释放生物分子,对于医疗诊断来说具有巨大的潜力。

    2.世界上热导性最好的碳纳米管板问世

    富士通实验室成功研制出具有世界顶级散热能力的高热导率碳纳米管板这种板材由垂直定向的纯碳纳米管组成,具有优秀的热导率和耐热性。

    实验室研究人员通过精确控制操作温度和压力,使碳纳米管在垂直方向进行密集均匀的排列生长,并在2000摄氏度以上的温度下进行热处理的板成型,利用这些技术制造出的散热片的散热性能是目前使用铟材料的三倍,具有世界上最好的散热性能。

    3.新型石墨烯异质结制作方法

    异质结是构成微电子器件的基本构件,在硅的基础上已经发展到极限。现在,研究人员研发出一种新的异质结合成方法,并用纳米带石墨烯条带成功制得微纳米尺度精确性极佳的异质结,实现了原子级别的控制合成。

    异质结的形成依赖于两种不同分子的前聚体,分子的前聚体会产生两个相应的纳米带,这些纳米带会与衬底表面的随机点连接在一起。研究人员结合石墨烯生长自下而上的特点,开发了一种可以对前聚体完全控制的方法来得到精确结构的异质结。但是合成过程需要超高真空和高温条件以及金质基底,所以这种方法暂时只在实验室阶段。

    4.石墨烯复合材料新发现——可实现无线传输能量和信号

    最新美国Clemson大学的研究人员研发出摩擦纳米发电机,这种电机不仅可利用环境中的废弃机械能,还可以无线传输能量和信号。这种由新型石墨烯和聚乳酸制成的无线电力传输设备是第一台可以无线传输的可再生能源发电机,可为未来物联网夯实基础。

    研究人员利用基本的晶体对称性原理,设计出这种石墨烯纳米复合材料。他们深知材料的摩擦或压电性质由材料的晶体学对称性决定,所以采用聚乳酸这种含有两个不对称碳原子的材料复合石墨烯制成具有不对称性的聚合物复合材料,并将它嵌入到可以提供的电压且能够将无线传输到远程设备的发电机中。最终得到能轻易产生2400V的电场,并可传输3米以上的二进制代码的传送能力,这种设备的产生将会促进物联网发展进程加快。

    5.电子产业的福音:我国研发出碳纳米管手性可控合成技术

    东北大学的Toshiaki Kato教授团队近期找到控制单壁碳管手性的制备方法,解决了领域内困扰科学家25年的大难题。

    单壁碳纳米管有数百种,但只有少数可以选择性地合成。通过与东京大学合作,Toshiaki Kato教授团队改进方法,通过调节等离子体进行化学沉积,控制Co催化剂的氧化程度改变催化剂间的结合能,使生长具有选择性,最终得到了手性的单壁碳纳米管。莱斯大学的教授肯定了这项工作的实用性,并认为这将对电子产业可能带来极大的突破。

    6.具有弹性的石墨烯基晶体管问世,解决应用难题

    石墨烯电子器件的应用缺点是容易产生裂纹,但最近斯坦福大学的研究人员找到了克服这个缺点的办法,并创造出迄今为止最具弹性的碳基晶体管。

    这个研究团队的创新点在创造了石墨烯纳米卷,它们是在石墨烯从一个基板移动到另一个基板的湿转移过程中自然形成的。研究人员将这些石墨烯纳米卷堆叠在石墨烯层之间,形成一种新式组合,使石墨烯导电的优异性能可充分发挥。并且这种组合使晶体管具有高度透明性和可拉伸性,因此在高应力作用下,即使石墨烯薄片出现裂缝,石墨烯卷仍能继续提供导电的路径。相较于其他导体,这种碳基晶体管表现出强大的优势。

  • 原文来源:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=113319
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    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2019-06-10
    • 如果我们的电子产品想要变得更小更快,就需要技术上的进步。 我们生活在一个由计算机电路驱动的世界。现代生活依赖于半导体芯片和硅基集成电路上的晶体管,它们可以开关电子信号。大多数晶体管使用丰富而廉价的硅元素,因为它既可以阻止也可以允许电流流动,它既是绝缘体又是半导体。 直到最近,挤压在硅芯片上的微型晶体管每年的体积都缩小一半。它造就了现代数字时代,但这个时代即将结束。随着物联网、人工智能、机器人技术、自动驾驶汽车、5G和6G手机这些计算密集型工作的问世,科技的未来岌岌可危。那么接下来会发生什么呢? 什么是摩尔定律? 摩尔定律是计算能力的指数增长。早在1965年,英特尔联合创始人戈登·摩尔就观察到,一英寸计算机芯片上的晶体管数量每年翻一番,而成本则减半。现在,这个时间是18个月,而且越来越长。事实上,摩尔定律不是定律,只是一个为芯片制造商工作的人的观察结果,但增长的时间意味着未来的密集计算应用可能受到威胁。 摩尔定律已死? 没有,但是速度太慢了,硅芯片需要帮助。英国半导体应用公司Catapult的首席执行官Stephen Doran说:“在越来越多的需要提高速度、减少延迟和光检测的应用中,硅正在达到其性能的极限。” 然而,他认为现在谈论硅的替代物还为时过早。他补充称:“这意味着硅将被完全取代,这在短期内不太可能发生,很可能永远不会发生。” Imagination Technologies营销传播副总裁David Harold表示:“至少在2025年之前,摩尔定律式的业绩提升仍有潜力。直到20世纪40年代,硅仍将主导芯片市场。” 计算机的第二个时代即将到来 仔细研究硅晶体管问题非常重要;作为一个概念,它并没有“死亡”,但是它已经超过了它的顶峰。Rambus内存和接口部门首席科学家Craig Hampel表示:“摩尔定律专门指的是由半导体制造的集成电路的性能,而且只记录了过去50多年的计算。” “人类对计算需求的增长趋势可追溯到算盘、机械计算器和真空管,并可能远远超出半导体(如硅),包括超导体和量子力学。” 超越硅是一个问题,因为未来的计算设备将需要更加强大和灵活。Harold说:“日益增加的计算问题是,未来的系统将需要学习和适应新的信息。它们必须‘像大脑一样’。再加上芯片制造技术的转型,它们将为计算创造革命性的第二个时代。” 什么是冷计算? 一些研究人员正在研究用更少的能量获得高性能计算机的新方法。“数据中心或超级计算机的冷运行可以带来显著的性能、功耗和成本优势。”Hampel说。 微软的Natick项目就是一个例子,作为该项目的一部分,一个巨大的数据中心沉入了苏格兰奥克尼群岛海岸,但这只是一小步。进一步降低温度意味着漏电流更少,晶体管开关的阈值电压更低。 Hampel说:“它减少了延伸摩尔定律的一些挑战。”他补充说,对于这些类型的系统来说,自然的操作温度是77K(-270℃)的液氮。“大气中含有丰富的氮,以液态形式收集相对便宜,而且是一种有效的冷却介质。我们希望,在内存性能和功耗方面,或许能再延长4~10年的时间。” 什么是化合物半导体? 下一代半导体由两种或两种以上的元素组成,这些元素的特性使它们比硅更快、效率更高。这是“机会”,它们已经在使用,并将有助于创建5G和6G手机。 Doran说:“化合物半导体结合了元素周期表中的两种或多种元素,例如镓和氮,形成氮化镓。”他解释说,这些材料在速度、延迟、光检测和发射等方面都优于硅,这将有助于实现5G和自动驾驶汽车等应用。 尽管它们可能与普通硅芯片一起使用,但化合物半导体将进入5G和6G手机,本质上使它们足够快、足够小,同时还具有良好的电池寿命。 Doran说:“化合物半导体的出现改变了游戏规则,它有潜力带来变革,就像互联网变革通讯领域一样。”这是因为,化合物半导体的速度可能比硅快100倍,因此可以为物联网增长带来的器件激增提供动力。 什么是量子计算? 当你可以拥有量子世界的叠加和纠缠现象时,谁还需要经典计算机系统的开关状态呢?IBM、谷歌、英特尔和其他公司都在竞相使用量子比特(又称“qubits”)来制造具有强大处理能力的量子计算机,其处理能力远远超过硅晶体管。 问题是,在实现量子计算的潜力之前,量子物理学家和计算机架构师要实现许多突破,有一个简单的测试,量子计算界的一些人认为,在量子计算机问世之前,需要满足他们的要求:“量子至上”。 Hampel表示:“这只是意味着,在摩尔定律的道路上,量子机器比传统半导体处理器更擅长完成特定的任务。”到目前为止,实现这一目标仍然遥不可及。 英特尔在做什么? 由于英特尔是制造硅晶体管的先驱,因此英特尔在硅基量子计算研究方面投入巨资也就不足为奇了。 英特尔销售与营销集团副总裁兼英国区总经理Adrian Criddle表示:“除了投资扩大需要在极低温度下存储的超导量子比特外,英特尔还在研究一种替代方法。替代架构基于‘自旋量子比特’,在硅片中运行。” 自旋量子比特使用微波脉冲来控制硅基器件上单个电子的自旋,英特尔最近在其最新的“世界最小的量子芯片”上使用了自旋量子比特。至关重要的是,它使用硅和现有的商业制造方法。 Criddle解释说:“自旋量子比特可以克服超导方法带来的一些挑战,因为它们的物理尺寸更小,更容易微缩,而且可以在更高的温度下工作。更重要的是,自旋量子比特处理器的设计类似于传统的硅晶体管技术。” 然而,英特尔的自旋量子比特系统仍然只能接近绝对零度;冷计算将与量子计算机的发展密切相关。与此同时,IBM有一个50比特的处理器Q,而谷歌量子AI实验室有72比特的Bristlecone处理器。 石墨烯和碳纳米管怎么样? 这些所谓的神奇材料有朝一日可能会取代硅。Doran说:“它们现有的电气、机械和热学特性远远超出了硅基器件所能达到的水平。”然而他警告说,可能需要很多年才能准备好迎接黄金时代。 他说:“硅基器件经过了几十年的改进,并随着相关制造技术的发展而发展。石墨烯和碳纳米管仍处于这一旅程的起点,如果它们要在未来取代硅,实现这一目标所需的制造工具仍然需要开发。” 原子时代 无论其他材料的前景如何,我们现在正处于原子时代。Harold说:“每个人都在考虑原子。我们的进展现在已经到了单个原子计数的阶段,甚至存储正在寻找在原子水平上工作的方法——IBM已经展示了在单个原子上存储数据的可能途径。”今天,创建1或0,即用来存储数据的二进制数字,需要10万个原子。 然而,这里有一个问题。Harold补充说:“作为存储或传输信息的手段,原子本质上不太稳定,这意味着需要更多的逻辑来纠正错误。”因此,未来的计算机系统很可能是各种技术的叠加,每一种技术都是为了弥补另一种技术的缺点。 因此,没有哪个答案可以将硅的寿命延长到下一个计算时代。化合物半导体、量子计算和冷计算都有可能在研发中发挥重要作用。计算机的未来很可能会出现机器的层级结构,但到目前为止,没有人知道明天的计算机会是什么样子。 Hampel表示:“虽然摩尔定律将会终结,但指数计算能力的长期和持久趋势很可能不会终结。”
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    • 编译者:郭文姣
    • 发布时间:2020-07-02
    • 布朗大学的一个研究小组发现了一种方法,可以将用于制造固态锂离子电池的陶瓷材料的韧性提高一倍。《Matter》杂志描述的这一策略可能有助于将固态电池推向大众市场。 “人们对用陶瓷材料取代现有电池中的电解液非常感兴趣,因为它们更安全,而且能提供更高的能量密度,”布朗工程学院的博士后研究员、这项研究的第一作者Christos Athanasiou说。到目前为止,对固体电解质的研究主要集中在优化它们的化学性质上。在这项工作中,我们将重点放在机械性能上,希望能使它们更安全、更实用、更广泛地使用。” 电解液是电池正极和负极之间的屏障,锂离子在充电或放电时通过电解液流动。液态电解质工作得很好——它们被发现存在于今天使用的大多数电池中——但它们有一些问题。在大电流下,电解液内部会形成微小的锂金属丝,从而导致电池短路。由于液体电解质也是高度易燃的,这些短裤可能导致火灾。 固体陶瓷电解质是不易燃的,有证据表明它们可以防止锂丝的形成,而锂丝可以使电池在更高的电流下工作。然而,陶瓷是高脆性材料,在制造和使用过程中可能会断裂。 在这项新研究中,研究人员想知道,在陶瓷中注入石墨烯——一种超强碳基纳米材料——能否提高材料的断裂韧性(一种材料承受开裂而不崩解的能力),同时保持电解质功能所需的电子特性。 阿萨纳苏与布朗大学工程学教授布莱恩·谢尔登和尼廷·帕杜尔合作,他们多年来一直在使用纳米材料来加固用于航空航天工业的陶瓷。在这项工作中,研究人员制造了氧化石墨烯的微小血小板,将其与一种叫做LATP的陶瓷粉末混合,然后将混合物加热以形成一种陶瓷-石墨烯复合材料。 对复合材料的力学测试表明,与单独使用陶瓷相比,复合材料的韧性增加了两倍以上。“发生的情况是,当材料开始开裂时,石墨烯血小板将破裂的表面粘合在一起,因此需要更多的能量来维持裂纹的运行,”Athanasiou说。 实验还表明,石墨烯不会影响材料的电学性能。关键是要确保在陶瓷中加入适量的石墨烯。而石墨烯过少则无法达到增韧效果。过多会导致材料导电,这在电解质中是不需要的。 “你希望电解质能传导离子,而不是电,”帕图尔说。“石墨烯是一种良好的导电体,因此人们可能会认为在电解液中加入导体是在搬起石头砸自己的脚。”但如果我们将浓度保持在足够低的水平,就可以阻止石墨烯导电,同时我们仍能获得结构上的好处。” 综合来看,这些结果表明,纳米复合材料可以提供一条道路,使力学性能更安全的固体电解质用于日常应用。该小组计划继续改进这种材料,尝试石墨烯以外的纳米材料和不同类型的陶瓷电解质。 “据我们所知,这是迄今为止所制造的最坚硬的固态电解质,”Sheldon说。“我认为,我们所展示的是,在电池应用中使用这些复合材料有很大的前景。”