登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《在纳米尺度系统中的异常声子运输/热扩散》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： chenfang
  • 发布时间：2016-05-30

  • 近年来实验和数值的作品表明，导热性由低维纳米尺度系统，如纳米管，纳米线，高分子链，石墨烯，以及其他2D材料的声子的大小而定。在该演讲中，介绍了演讲者对反常的热导率的一般理论的理解。更具体地说，将讨论如何反常热传输（宏观现象）与反常热扩散（微观过程）相连接。

132浏览量
原文链接
相关报告

  • 《亚纳米尺度下原位研究分子吸附扩散机制获进展》
    • 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：2022-06-06
    • 中国科学院精密测量院郑安民研究团队和清华大学陈晓、张晨曦、魏飞研究团队合作在亚纳米尺度下原位研究分子吸附扩散机制方面取得重要进展。采用分子筛皮米电镜原位成像策略并结合从头算分子动力学模拟，实现了小分子吸脱附行为和分子筛骨架结构动态演变的原位实时观测。 研究首次发现了刚性分子筛的亚单胞拓扑柔性结构特点，揭示了分子扩散突破孔径限制的微观机制，在分子筛择形催化基础研究领域取得重大突破。相关研究进展在《科学》上发表。 郑安民团队长期致力于分子筛限域孔道中吸附和扩散机制研究，这些基础研究对于分子筛催化反应条件选择和优化具有重要意义。团队在前期工作中，采用多尺度理论模拟结合扩散实验发现分子筛限域孔道中存在反常的“热阻效应”，从微观层面构建了分子筛结构和扩散性能间的构效关系，丰富了反常扩散的种类，揭示了高温下长链烷烃扩散受阻的微观机理。进一步研究发现具有连续性交叉孔结构的分子筛存在扩散路径的自发选择性机制，在高浓度下依旧能够保持优良的扩散性能，并基于扩散自由能分析揭示了连续性交叉孔促进高浓度快速扩散的微观机理。 沸石分子筛是一类具有有序微孔结构的刚性骨架材料，广泛应用于石油化工、煤化工、二氧化碳转化、环境治理和气体分离等多个领域。其利用三维纳米级孔道（0.3~1.3 nm）对不同大小的分子进行筛分，在微观上对分子运动和反应行为进行精准限域控制，从而实现高附加值产品的高选择性制备。如利用ZSM-5分子筛的孔道限制作用，可高选择性地得到低碳烯烃与单环芳烃，抑制更大的双环芳烃、焦炭等副产物的生成。在实际应用过程中，人们发现能在孔道中扩散或生成的最大分子直径往往大于晶体学孔径0.7埃左右，突破了分子筛孔道的刚性几何限制，这一现象是长期以来学术界悬而未决的问题。 清华大学魏飞研究团队利用表面原子级平整ZSM-5分子筛的通透直孔道作为成像窗口，将苯分子作为探针分子，研究了苯分子在ZSM-5中的动态吸脱附行为和对应的分子筛孔道结构演变过程。实验发现，苯分子进入孔道后，在空间限域作用下采用一致的取向排列，呈现一维类固体的存在形式，在孔道投影方向表现为纺锤体形状，并非分子动力学所假设的对称球形。 研究人员首次观察到分子筛在限域苯分子作用下表现出“刚柔并济”的亚单胞拓扑柔性结构特点——其单个孔道沿限域苯分子的长轴方向可发生15%的最大形变，以允许比晶体学孔径（0.56 nm）更大的苯分子（0.585 nm）进出。同时，MFI结构独特的Pnma空间群对称性使得相邻孔道发生相反方向的形变，相互抵消，使得整个晶胞的结构维持刚性，单胞尺寸（~2 nm）变化小于0.5%。 基于实验结果，郑安民研究团队采用从头算分子动力学研究确定了分子筛骨架结构柔性的微观机制。理论模拟表明，分子筛骨架原子处于不停的热运动之中，从而产生孔口“呼吸效应”——纳米孔道不断发生柔性振动，孔径长短轴随时间交替变化。在温度为473 K时，孔道沿长轴方向发生可达15%形变，允许苯分子以最小截面取向进入孔道。 苯分子进入后，孔道受苯分子限制，维持形变状态；苯分子从孔口脱出后，则恢复局部柔性振动特征。键长和键角的统计分析表明分子筛孔道这种“刚柔并济”的现象来自于分子筛拓扑结构中硅氧或铝氧四面体之间的柔性连接——四面体连接处的T-O-T键角可以从135°增加大到153°。科研人员称这类整体刚性亚晶胞局部柔性的现象为亚晶胞拓扑柔性。 该研究表明，亚单胞拓扑柔性是多孔沸石分子筛材料与分子相互作用的固有结构特征，解决了长期以来关于大的分子扩散突破孔径限制进入小的孔道的争议，为分子筛新材料的设计、合成和分子筛催化机制的认识提供了全新的机理与实验分析方法。 与此同时，该工作实现了在实空间下亚埃级分辨率下的分子动态行为和骨架结构实时演变的直接观测，提供了一种在分子尺度上直接观察和研究小分子在限域空间内吸附、扩散和催化反应中真实过程的研究范式，并为未来原位实时研究物质扩散和转化过程建立起坚实基础。 上述合作研究成果以《刚性分子筛在吸脱附过程中亚单胞拓扑柔性的原位实时成像》为题在线发表。论文第一作者为清华大学2019级博士生熊昊，精密测量院特别研究助理刘志强为共同第一作者。
    97浏览量
    原文链接

  • 《精准制造：从微纳米迈向原子尺度》
    • 来源专题：能源情报网监测服务平台
    • 编译者：郭楷模
    • 发布时间：2025-01-10
    • 空天海地的网络建设，信息世界感知力、通信力以及智算力的建设，迫切需要高端、新型的硅基芯片。然而‘自上而下’的光刻技术制造方式已经接近物理极限。”在日前举行的香山科学会议上，中国科学院院士许宁生说，全球精准制造的竞争已从微纳米尺度迈向原子尺度，未来硅基芯片的发展水平将取决于大规模原子制造技术水平。 此次香山科学会议聚焦原子制造前沿科学问题。1纳米技术节点被视为硅基芯片制造加工技术的物理极限。晶体中相邻原子的距离大约几个埃（0.1纳米），如果能通过直接操控原子来制造芯片，将颠覆以现有光刻技术为基础的制造规则。 从石器时代走来，人类的制造技艺不断精进，正在走进能精准操控物质最基本单元——原子的时代。与会专家认为，在这个过程中，人类不仅将突破诸多制造极限，也将刷新对基础理论的认知。 有望突破芯片制造极限 当前的芯片制造采用“自上而下”的制造方式。这指的是一种从整块材料开始，通过逐层添加、移除或改变材料性质来构建复杂结构的方法，包括薄膜沉积、光刻胶涂敷、光刻显影、刻蚀、量测、清洗、离子注入等多个环节。 为了在单位面积内实现更多晶体管的布局，2011年，研究人员采用鳍式场效应晶体管技术，改变集成电路结构，突破芯片22纳米制程工艺。进入5纳米技术节点后，电子隧穿问题又催生了环绕式结构、垂直传输场效应晶体管等新的结构设计。 然而，随着加工精度不断提升，宏观方式的制造极限随之而来，仅通过结构的巧妙设计将难以满足人们对芯片计算能力日益增长的需求。尤其是随着生成式人工智能的发展，及其在各行各业的垂直落地，算力不足、计算成本过高等问题逐渐凸显。 “硅基芯片大规模原子制造技术的发展可能带来计算和智能技术的基础性变革。”许宁生认为，应在关键材料研制、微纳结构集成、核心加工制造检测等领域开展关键技术研究，推动实现硅基芯片的原子制造。 那么，什么样的材料适用于芯片等元器件的原子制造？复旦大学物理学系教授张远波介绍，国际上认为二维半导体是1纳米及以下节点的重要材料体系，也是唯一公认能够延续摩尔定律的材料。 二维材料具有独特的单分子层晶体结构，例如石墨烯是由碳原子组成的二维材料。“二维材料及器件有高载流子迁移率、丰富电学性能等特点，在1纳米的条件下仍能正常工作，有望突破传统半导体器件的极限。”张远波介绍，近年来，在二维材料的缺陷调控、应力调控、电荷调控、转角堆叠调控等方面，学界取得了巨大进步。例如，晶圆级的二维材料生长已经实现，基于二维半导体集成工艺也已经能够实现大部分硅基电路功能。 关键在于精准可控组装 尽管不少二维材料实现了较大规模的实验室生产，但二维材料仍难以根据需要“随心”构筑。与会专家认为，操纵二维材料和结构，进而构筑异质结构和器件，实现其性质与功能的人工设计与调控，仍是原子制造的核心科学问题。 “通过学习自然，开发先进制造技术，可以实现原子团簇或分子的精准可控组装与制造。”中国科学院院士刘云圻认为，信息技术微型化发展要求原子制造领域在结构、序列、取向、堆叠方式等方面从简单、无序、经验型向复杂、有序、智能型方向发展。 “更为神奇的是，在微观层面，如果将原子或分子按照我们想要的方式排列，就会获得千变万化的性能。”刘云圻说，这些性能是宏观制造难以获得的。需要深入认识微观分子的反应和组装规律，掌握材料的基本物理性质，进而构筑新型柔性微纳器件，以满足未来对人造智慧体制备的需要。 此外，二维材料制造时的实时在线检测，对其生长的严格控制也十分关键。国家纳米科学中心研究员谢黎明介绍，为了揭示相关二维材料的生长机制，团队研发了高温原位光学成像技术，可在化学气相沉积系统内植入高温显微成像镜头，实现950℃下1微米空间分辨率的二维材料生长实时成像，从而揭示二维材料的生长动力学与生长机制，获得其生长速率、扩散速率等关键参数。 工欲善其事，必先利其器。基于高分辨率的在线观测，以及离线的扫描透射电子显微镜成像数据，团队发展出液相边缘外延生长方法和设备，实现了二硫化钼的全单层生长。 中国科学院物理研究所研究员张广宇团队则基于高质量二维二硫化钼晶圆生长的基础，通过界面缓冲层控制的新策略，在工业兼容的C面蓝宝石衬底上成功外延生长出2英寸的单层二硫化钼单晶薄膜。相较于硅，二硫化钼具有更强的电子控制能力，被认为是制造下一代芯片的理想材料。 瞄准功能“定制”目标 如何使用大规模集成二维材料制备的晶体管，制备运算速度更快、更省电的芯片？这样的芯片究竟长什么样？ 张广宇说，从操控原子出发形成最终产品，使其具备结构上的原子精准和功能上的“定制”，是继微纳制造之后的下一代制造技术。当前，原子尺度的相关产品处于萌芽阶段，更多技术路线正在不断研发中。 “后摩尔时代的计算机芯片需要在工艺和架构方面突破经典架构，其中兼容半导体工艺的固态量子计算芯片是一种有竞争力的技术路线。”西安交通大学材料学院自旋电子材料与量子器件研究中心教授潘毅介绍，由高度相干的全同量子点构成的量子比特是构成固态量子芯片的基本单元。 为了制造全同的人工量子点，潘毅团队与德国PDI研究所合作，利用扫描隧道显微镜进行原子操纵，在砷化铟表面构筑了多个全同性良好的人工量子点。这种方法有望成为未来固态量子计算所需的大规模耦合量子点阵列的重要制造方式。 与会专家表示，以定向自组装诱导图形化工艺技术、冷阴极并行电子束直写刻蚀装备技术、大规模扫描探针装备技术、X光光刻装备技术等为代表的加工技术也在不断完善和发展，为工业级别的大规模原子制造提供支撑。
    64浏览量
    原文链接