登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《新型材料在导电和绝缘状态之间转换:这种方法可以为未来电子器件的量子材料平台的设计提供参考》

  • 来源专题：生物安全网络监测与评估
  • 编译者： yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间：2019-12-05

  • 西北大学的工程研究人员开发了一种新的设计策略，来识别表现出金属-绝缘体过渡(MIT)的新材料。

    这种新方法可以加速未来更快的微电子产品的设计和交付，以及未来电子产品的量子材料平台。

    “我们的方法使用阴离子替代原子尺度和识别关键的麻省理工学院属性来识别潜在的heteroanionic麻省理工学院的材料,还没有被广泛认为这一点,”James Rondinelli说材料科学和工程学副教授和莫里斯·e·好初级材料和制造教授麦考密克工程学院的领导团队。“我们希望通过形成这些电子结构-性质的关系，未来可以设计出量子材料的新跃迁。”

    12月3日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇论文概述了这项工作，题为《展示佩尔斯金属-绝缘体跃迁的异阴离子月球的设计》(Design of异阴离子MoON A Peierls metal -绝缘体跃迁)。Rondinelli与材料科学与工程系的研究助理教授Danilo Puggioni是该论文的共同通讯作者。

    在西北大学的Quest高性能计算集群中，Rondinelli和研究人员利用量子力学计算机模拟，设计了这种新材料的微尺度晶体结构，称为氧化氮化钼(MoON)，来主持相变。研究人员发现，麻省理工学院的温度接近600摄氏度，显示出它在高温传感器和电力电子领域的应用潜力。

    研究小组注意到多种设计参数影响了月球的相变。在材料中包含多个阴离子——在本例中是带负电荷的氧离子和氮离子——激活了相变，这是由于特定的电子构型与电子轨道的空间定向有关，支持了先前在其他二元MIT材料中的发现。此外，月球上灵活的金红石晶体结构使导电和绝缘状态之间具有可逆性。

    这些发现为纳米尺度上的细微变化如何用于控制材料的宏观行为(如导电性)提供了思路。

    “在过去的十年里，人们做了大量的工作来理解MIT的材料并发现新的材料;然而，目前已知只有不到70种独特的化合物表现出这种热转变，”Rondinelli说。“我们在设计中融入了MIT材料的关键特性，包括特殊的微尺度结构特性，以及关键的d1电子构型。”我们的项目利用了一种方式，我们和其他人可以使用关键的第一原则设计概念来扩展麻省理工学院的相空间，并有效地追求新的麻省理工学院材料。”

    科学家们希望通过建立这些电子结构-性质的关系，未来可以设计出量子材料的新跃迁。这些化合物可用作晶体管或存储器的有源层。

    Rondinelli说:“麻省理工学院的材料代表了一类相变，可能使信息处理和存储方面的进步超越微电子领域传统的互补金属氧化物半导体标度。”这意味着更快的设备和更多的存储能力。此外，麻省理工学院的材料可以实现低功耗微电子系统，这意味着你将需要更少的给你的设备充电，因为它持续的时间更长，因为组件需要的电力更少。”

    这项工作得到了美国国家科学基金会(NSF)西北大学材料研究中心MRSEC项目(奖励号为DMR-1720319)和DMR-1454688下的NSF的支持。计算贡献由陆军研究办公室通过W911NF-15-1-0017号拨款支持。

    ——文章发布于2019年12月3日

93浏览量
原文链接
相关报告

  • 《新型材料在导电和绝缘状态之间切换》
    • 来源专题：纳米科技
    • 编译者：郭文姣
    • 发布时间：2019-12-05
    • 西北工程研究人员开发了一种新颖的设计策略，以识别表现出金属-绝缘体转变（MIT）的新材料，这是一种稀有材料，按其在导电状态和绝缘状态之间可逆转换的能力分类。 这种新方法可以迅速启动具有更多存储功能的更快微电子学的未来设计和交付，以及未来电子学的量子材料平台。 ”材料科学与工程学副教授和莫里斯•E•詹姆斯（Morris E）说：“我们的方法使用原子级阴离子取代和对MIT关键特性的识别来识别潜在的杂阴离子MIT材料，目前尚未广泛考虑。 。领导团队的麦考密克工程学院材料与制造高级初级教授。 “我们希望通过阐述这些电子结构-性质关系，可以在未来设计量子材料的新过渡。” 12月3日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表了一篇概述该工作的论文，标题为“展示Peierls金属-绝缘体过渡的杂阴离子MoON设计”。 Rondinelli与材料科学与工程系的研究助理教授Danilo Puggioni是该论文的共同通讯作者。 Rondinelli和研究人员在西北航空的Quest高性能计算集群中使用量子力学计算机模拟，设计了这种新材料的皮皮级晶体结构，称其为氧氮化钼（MoON），用以承载相变。研究人员发现麻省理工学院发生在600摄氏度附近，从而揭示了其在高温传感器和电力电子设备中的应用潜力。 该小组指出，多个设计参数影响了MoON的相变。材料中包含多种阴离子-在这种情况下为带负电荷的氧和氮离子-由于与电子轨道的空间取向有关的特定电子结构而激活了相变，从而支持了其他二元MIT材料的先前发现。此外，MoON的柔性金红石晶体结构使导电状态和绝缘状态之间具有可逆性。 这些发现提供了对纳米级细微变化如何用于控制材料中宏观行为（例如电导率）的见解。 Rondinelli说：“在过去的十年中，为了解麻省理工学院的材料并发现新的材料而进行了大量的工作；然而，目前已知只有不到70种独特的化合物表现出这种热转变。” “我们在设计中体现了MIT材料的关键特征，包括特定的皮尺度结构特征以及至关重要的d1电子配置。我们的项目利用了一种方式，即我们和其他人可以使用关键的第一性原理设计概念来扩展MIT阶段。空间并有效地寻求麻省理工学院的新材料。” 科学家希望通过阐述这些电子结构-性质关系，可以在未来设计量子材料中的新过渡。这些化合物可用作晶体管或存储器应用中的有源层。 Rondinelli说：“ MIT材料代表了一类相变，可以使信息处理和存储方面的进展超越微电子领域中常规的互补金属氧化物半导体定标。” “这意味着具有更多存储功能的更快的设备。此外，麻省理工学院的材料可以启用低功率微电子系统，这意味着您需要减少对设备的充电频率，因为由于组件所需的功率更少，因此使用寿命更长。” 这项工作得到了美国西北大学材料研究中心和NSF在DMR-1454688下的美国国家科学基金会（NSF）MRSEC计划（授予号DMR-1720319）的支持。 陆军研究办公室通过拨款号W911NF-15-1-0017支持了计算贡献。 ——文章发布于2019年12月3日
    133浏览量
    原文链接

  • 《全球材料行业未来10大趋势和创新》
    • 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：2020-11-18
    • 工业4.0不断发展，能源、汽车、物流、制造、建筑及其它工业领域正在发生变革，这些变化带来对新材料的需求。 材料行业的趋势包括：可持续性，轻量化，3D打印和表面工程解决方案，智能材料的开发，纳米技术和具有增强特性的先进复合材料。此外，人工智能（AI），机器学习（ML）和数据管理实践的广泛采用使科学家们能够更快地探索和开发新型材料，从而将新材料技术市场化时间从几十年缩短到了几年。 树状图：行业趋势对材料行业的影响 树状图描述了十大材料行业趋势对企业2020年及其后的影响。新创企业现在正在开发可持续，智能、响应型材料以及对材料物理性能改善。例如，可生物降解的塑料，热适应性织物或柔性显示器。包括纳米材料和生物材料在内的新型配方为现有材料赋予了新的功能，同时扩大了创新范围。增材制造，先进复合材料和2D材料也促进了各种轻量化材料的发展。除了材料信息和管理，表面工程还影响到能源，汽车和建筑到生物技术，医疗保健和纺织等多个行业。 ●2020年及2020年以后材料行业10大趋势● 1.可持续材料 使用和生产过程中产生的大量废物迫使政府起草各种法规。如果从材料全生命周期的角度重新审视其内部流程，几乎所有的企业都将面临挑战。建筑，汽车，包装和制造行业的公司正在将可持续材料整合到自身的加工制造过程中，并将可再生能源纳入其流程。最终，这些努力旨在减轻地球上的废弃物。可持续材料还为循环系统提供了动力，实施循环经济。Spectalite – 生物基材料印度初创公司Spectalite旨在协助汽车，物流，包装，酒店和消费品行业实现其可持续发展目标。Spectalite基于农业废弃物和可再生资源生产可生物降解和可循环利用的化合物。这家初创公司的产品在保护自然沉积物和森林的同时，还确保了对现有制造工艺的可扩展性和适应性。eCO2Blocks – 可持续的建筑材料葡萄牙初创公司eCO2Blocks 将循环经济应用于制造可持续建筑材料。其主要产品为不含任何水泥的碳负路面砖——利用工业废物，非饮用水和二氧化碳吸收技术，不挪用自然资源。 2.智能材料 为了迎合某些特定行业项目的需求，企业正在开发具有特定应用特性的新型材料。材料科学的进步使我们可以去创建具有可编程属性的智能材料，这些材料对自外部因素的刺激做出反应或者反馈动作。涌现大量公司致力于设计具有多种特性的材料和产品，如热致变色，电致变色，光致变色，压电性，形状记忆，自我修复和相变属性以及其他特征。Memetis –高性能执行器基于形状记忆合金技术，德国初创公司Memetis 制造了超紧凑的微型执行器。形状记忆效应能够让材料保持极端的变形，条件合适可以恢复为原始形状。因此，即使在狭小或密实的安装空间中，执行器可以照样工作。Memetis为消费电子，电信，光学技术，移动性和工业4.0领域提供解决方案。Sorex传感器–薄膜体声谐振器（FBAR）技术Sorex Sensors是一家英国初创公司，开发了一种硅晶片上的高灵敏度微机电系统（MEMS）传感器，这种传感器使用的是薄膜压电材料。Sorex Sensors利用FBAR技术来产生压电效应，从而使其能够以飞克级精度准确检测温度和质量变化。这就让低功耗要求的小型设备可以对外部刺激做出响应。该解决方案的一些应用包括薄膜计量以及气体和颗粒物监测。 3.纳米科技 纳米级材料的特性显而易见。不断丰富的纳米材料家族，如纳米纤维，纳米管，同素异形体，量子点 （QD）和其他纳米结构为工业产品的性能增强带来无限可能。借助纳米颗粒的力量，同时期的公司可以确保自己独特的竞争优势，特别是在电子，能源，移动性和制造领域。Nanolumi –钙钛矿纳米晶体总部位于新加坡的初创公司Nanolumi 使用其可靠且安全的钙钛矿纳米晶体来克服电子显示器QD技术的弱点。这家初创公司结合了无镉原料，广泛的光谱覆盖范围，更纯净的色彩性能以及大批量量产适用性的优势。Nanolumi的产品还计划取代用于高级电子产品的常规钙钛矿纳米晶体和QD。BNNano –增强氮化硼纳米管总部位于美国的初创企业BNNano 生产具有超疏水性，高电绝缘性以及高热稳定性和机械稳定性的氮化硼纳米管。该公司提供粉末，中间合金，母料和定制混合物，以增强航空航天，汽车，国防和纺织应用以及辐射防护和热管理的性能。 4.增材制造 新兴的增材制造技术正在奋力赶超传统的热塑性塑料，为材料的使用提供更大的灵活性，定制性和功能性和更少废料。3D打印技术的进步反过来又刺激了金属，合金，陶瓷，纤维及其化合物的升级。增材制造技术促进全新的且耐用的聚合物长丝的性能改善，如导电性，熔融性，紫外线（UV）和耐化学性等特性。MAT3D –复合高分子材料意大利初创公司MAT3D 正致力于开发用于增材制造的新型聚合物材料，以增强其功能属性。该公司的目标是可替代金属3D打印的高性能塑料以及具有增强的电，磁，抗菌和热机械性能的各种树脂，以用于工业市场。彩色3D材料– 3D打印聚氨酯总部位于美国的初创公司Chromatic 3D Materials 生产了一组耐用的高性能聚氨酯弹性体，用于3D打印，同时具有适应性和弹性。Chromatic 3D Materials提供很高的定制性空间以及与添加剂的兼容性，同时还确保了最终产品的质量。Chromatic 3D Materials的产品可满足汽车，制造和消费品市场等需求。 5.轻量化 从航空航天到汽车的各个行业，都在寻找创新的方法来减轻多余的重量，从而提供出色的燃油效率和操控性。这推动了对铝，镁和钛等材料以及高强度塑料和碳纤维的研究。这些材料减轻因其较重零件而引起的环境和运营负担。轻量化还提供了与同类产品相当的安全性和可靠性水平。TxV Aero –航空航天复合材料制造总部位于美国的初创公司TxV Aero 设计师和工程师们定制层压材料和复合材料成品，用于商业航空航天领域，包括电动垂直起降（eVTOL）工具。该公司使用先进的技术制造具有定制功能的轻质热塑性塑料组件，包括层定向，垫层，近最终形状等。此外，TxV Aero致力于改装航空应用，以提高整体生产率。Fibratech –复合材料汽车车轮波兰初创公司Fibratech 希望去克服铝汽车领域的性能局限。因此开发了碳纤维增强的复合金属混合物汽车轮毂。与锻造铝轮毂相比，Fibratech的材料可实现总体质量的减轻，刚度的提高和设计的可定制化。 6.材料信息学 如今，大公司用数据驱动的方法来处理材料，信息学、计算技术以及机器学习和人工智能等原理技术更强化这种变化。这样材料数据可以被精心编排和模型化。此外，除了从复杂的材料数据中可靠的优选出科学见解的能力外，信息还加快了研发（R＆D）的时间表，节省了以前耗时且耗力的过程。Kebotix –自动驾驶材料发现实验室美国初创公司Kebotix 开发了一种自主运行实验室解决方案用于材料研究，以加快对新材料的探索。这家初创公司利用大数据管理，基于AI的决策，专用机器人和便利的交互界面来简化科学家的周期往复的工作。该公司对应对可持续性，公共卫生和有害工业物质方面的挑战特别感兴趣。Matelligence –基于AI的材料筛选加拿大初创公司Matelligence 计划为材料科学专家提供数据驱动的材料工具用来探索新材料。他们的解决方案包括具有专利人工智能算法的计算技术，以减少科学实验次数并加快筛选程序。Matellligence的平台针对清洁能源，电子，制造等领域。 7.先进复合材料 工业应用的迅速增加也带动了多种复合或混合材料的发展。为了提高性能和符合法规，降低成本并结合客户的喜好，新创公司计划在树脂，纤维，基材，基体和饰面材料方面进行创新，以制造定制复合材料。这些解决方案提供了针对特定用户的高级应用产品，主要用于基础设施，能源，工业4.0和移动性市场。AMP Industrial –螺旋桨用连续纤维复合材料总部位于美国的新创公司AMP Industrial 制造用于无人机系统（UAS）的先进复合材料。这家公司在工程单向连续纤维增强热塑性塑料（CFR-TP）方面拥有技术专长。AMP Industrial的复合材料的优势在于其高的比强度和材料韧性，以及为高性能应用方面的可定制化设计。ARCEON –耐高温复合材料（HTRC）荷兰初创公司ARCEON 为卫星，火箭和发动机零件提供创新的耐高温复合材料（HTRC）。他们的产品可承受超过1000摄氏度的温度，保持低热膨胀系数，包含轻质材料，具有增强机械强度和耐用性。 8.石墨烯和2D材料 纳米技术的突破使材料科学公司能够为2D或单层材料布置路径。二维材料固有的导热性和机械强度，可为工业应用提供增强的功能。但是，除石墨烯之外，大多数2D材料（例如锗烯，硅烯，锡烯和磷烯）仍在开发中。作为首个实现商业化的2D材料，石墨烯可在众多商业化市场中提高拉伸强度，片内强度，表面耐久性，电子迁移率，柔韧性和耐热性。这些领域涵盖电子显示器，超级电容器，汽车，建筑涂料和塑料制造。离子工业–石墨烯材料澳大利亚初创公司Ionic Industries 希望弥合石墨烯研究与开发其商业应用之间的差距。该公司融合了石墨烯和氧化石墨烯制造的专业知识和专利工艺。Ionic Industries专门从事用于水处理和纳滤以及储能的石墨烯添加剂。碳水–液态石墨烯应用法国初创公司Carbon Waters 专注于各种市场的液体石墨烯应用。该初创公司的石墨烯分散体为工业表面和机械装置提供了隔离涂层，润滑和抗腐蚀性能。此外，该解决方案还改善了电子和半导体的热管理以及制造和消费类设备的导电性。 9.表面工程 暴露于持续的磨损，腐蚀，紫外线和其他有害因素的环境下，工业表面需要具有更好耐久性的涂料。这对于保护汽车，工业，农业，船舶和制造资产以及提高生产率至关重要。此外，工程创新还为赋予表面疏水性和全疏水性，自清洁和平滑性提供了可能性。在COVID-19疫情爆发后，表面工程师致力于掌握抗菌剂，以在工业和非工业场所提供更可靠的保护。SolCold –反斯托克斯荧光技术以色列初创公司SolCold 基于纳米过滤器和主动冷却涂料开发了表面改性创新技术。Sol Cold新产品的基础是“反斯托克斯线(Anti-Stokes）荧光”技术，SolCold致力于将太阳的热量和辐射转化为低成本的冷却系统。这家初创公司的技术在太阳活动和热传递之间建立了逆向关系。该解决方案适合运输，建筑，农业和纺织行业。OPUS材料–定制材料技术英国初创公司 OPUS Materials 工程师为航空航天，电信，建筑，交通，船舶，可再生能源领域提供创新的防污和自洁涂料。该公司致力于改善燃油消耗和气流，减少腐蚀并优化材料效率。另外，OPUS允许通过设计来创建涂料，并且还支持建立相应的供应链。 10.材料管理4.0 工业4.0正在改变制造价值链的面貌，促使其在物料管理，处理和加工中实践的实施。跨越自动采矿和先进的自动化制造，再到机器人操纵和云计算，材料领域正在迅速数字化和互联网化。结果，新材料的开发与第四代工业技术的工业适应性发展同时进行。INTSITE –采矿现场优化以色列初创公司INTSITE通过一套AI增强的自动化解决方案来解决物料搬运和采矿效率低下的问题。该公司优化了运动轨迹，机器对机器的通信以及机器视觉算法。此外，INTSITE的互联自动重型机械使站点所有者可以提高物料搬运效率和组织效率。Seriforge -大规模定制为碳纤维总部位于美国的初创公司Seriforge 致力于将自动化技术引入碳纤维制造中，以实现高产量和短周期。Seriforge阐述了获得专利的缝合和网状预成型程序。这家初创公司的解决方案为碳纤维零件的可扩展制造提供可能。
    316浏览量
    原文链接