核心提示:据美国物理学家组织网7月24日报道,美国科学家研发出了一种新方法,改变了半导体的三维结构,使其在保持电学特性的同时拥有了新的光学性质,并据此研制出了首块光学电学性能都很活跃的新型光子晶体,为以后研制出新式太阳能电池、激光器、超材料等打开了大门。研究发表在最新一期《自然·材料学》杂志上。

上海科技大学 研制出彩色太阳能电池器件

2016年对半导体行业来说是风起云涌。为了度过难关,各大企业不是一头扎进了疯狂的并购潮,就是加大力度进行技术研发。今天就让我们来看一看2016年半导体材料都发生了哪些突破。

据美国物理学家组织网7月24日报道,美国科学家研发出了一种新方法,改变了半导体的三维结构,使其在保持电学特性的同时拥有了新的光学性质,并据此研制出了首块光学电学性能都很活跃的新型光子晶体,为以后研制出新式太阳能电池、激光器、超材料等打开了大门。研究发表在最新一期《自然·材料学》杂志上。

本报上海6月27日讯今天,记者从上海科技大学获悉,该校物质学院陈刚课题组研究制备出一种基于有机无机杂化钙钛矿材料的二维彩色光子晶体薄膜,并在此基础上制成具有良好光电转换效率的彩色太阳能电池器件。相关研究已发表于《纳米快报》。

一、硅基导模量子集成光学芯片研制成功

光子晶体材料具有独特的物理结构,它能采用不同于传统光学材料和设备的特殊方式诱发非同寻常的现象并影响光子的行为,可广泛应用于激光器、太阳能设备、超材料等中。之前由科学家们研制出的光子晶体只能得到用光学方法激活的设备,这些设备能引导光,但无法被电所激活,因此,其无法将电变成光或相反。

反蛋白石结构作为一种特殊的纳米结构,可以有效地优化材料的光学和电学性能;具有反蛋白石结构的薄膜可以形成光子晶体,从而展现光子晶体的诸多优越性能。

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伊利诺斯大学材料科学和工程学教授保罗·布劳恩领导的科研团队研制出的最新光子晶体却兼具光学和电学性质。该研究的参与者埃里克·尼尔森解释道,新光子晶体可以让光学和电学性能同时达到最优化,这就使人们能更好地控制光的散射、吸收以及增强。

研究人员首次利用模板辅助旋涂法,制备了不同纳米尺度、钙钛矿种类和合成方法的反蛋白石结构的二维钙钛矿光子晶体薄膜。这类薄膜呈现丰富的色彩和一系列不同于本征钙钛矿材料的特殊性质,如能带的偏移。同时,综合运用同步辐射表面掠入射X射线衍射、扫描电子显微镜、原子力显微镜、紫外可见吸收谱、荧光光谱和反射谱等表征手段,系统地研究了二维钙钛矿光子晶体薄膜的结构和光电性能。在此基础上,研究人员进一步将二维光子晶体薄膜作为吸光材料应用到钙钛矿太阳能电池中,成功制备出高效并具有丰富色彩的太阳能电池器件。

7月份,中国科技大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室任希锋研究组与浙江大学戴道锌教授合作,首次研制成功硅基导膜量子集成芯片,他们在硅光子集成芯片上利用硅纳米光波导中不同的能量传输模式,作为量子信息编码的新维度,实现了单光子态和量子纠缠态在偏振、路径、波导模式等不同自由度之间的相干转换,其干涉可见度均超过90%,为集成量子光学芯片上光子多个自由度的操纵和转换提供了重要实验依据。

为了制造出该三维光子晶体,科学家们先让一些细小的球簇拥在一起形成一块模板,接着,他们将一种广泛应用于半导体中的材料砷化镓沉积在模板上,让砷化镓通过模板填充球之间的缝隙。

专家表示,此类尝试在相关领域尚属首次,为制备多功能钙钛矿光电器件提供了一种全新的思路。据悉,相关制备方法已申请国家专利。

二、首个打破物理极限的1nm晶体管诞生

砷化镓作为单个晶体开始从下往上生长,这个过程被称作外延生长技术,工业界一般使用该技术来制造平的、二维的单晶体半导体薄膜,但布劳恩团队却对这种技术进行了升级改造,用来制造错综复杂的三维结构。

《中国科学报》 (2016-06-28 第4版 综合)

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这种自下而上的外延生长技术消除了制造三维光子结构普遍采用的自上而下构造方法可能导致的很多缺陷。另一个好处是,它让制造出层层堆积而成的半导体异质结构变得更方便。例如,可以通过先用砷化镓部分填充该模板,再用另一种材料填满,从而将一个量子势阱层引入光子晶体中。

10月7日对于普通人来说可能没有什么意义,但对于计算机技术界来说绝对是一个值得纪念的日子。据外媒报道,劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限,将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm。

一旦该模板被填满,科学家们就会移除球体,只留下一个复杂多孔的单晶体半导体三维结构,接着,他们用一层非常纤薄的具有更宽频带间隙的半导体包裹住整个结构以改进其性能并阻止表面复合。

三、碳纳米晶体管性能首次超越硅晶体管

该研究团队使用这项技术制造出了首块三维光子晶体发光二极管。这表明,使用这种概念能制造出功能性的设备。现在,布劳恩团队正在努力优化这种方法,以制造出特定功能的太阳能电池、超材料或低阈激光器等。

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尼尔森表示,最新研究显示,可以通过改变设备的几何形状来获得任何性能,我们可以朝着这个方向前进,研制出各种超高效的新能源设备

美国研究人员于9月6日宣布,他们成功制备出一种碳纳米晶体管,其性能首次超越现有硅晶体管,有望为碳纳米晶体管将来取代硅晶体管铺平道路。硅是目前主流半导体材料,广泛应用于各种电子元件。但受限于硅的自身性质,传统半导体技术被认为已经趋近极限。碳纳米管具有硅的半导体性质,科学界希望利用它来制造速度更快、能耗更低的下一代电子元件,使智能手机和笔记本电脑等设备的电池寿命更长、无线通信速率和计算速度更快。但长期以来,碳纳米管用作晶体管面临一系列挑战,其性能一直落后于硅晶体管和砷化镓晶体管。美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员在美国《科学进展》杂志上介绍了他们克服的多重困难。

金沙4166官网登录,四、“石墨烯之父”发现比石墨烯更好的半导体——硒化铟(InSe)

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石墨烯只有一层原子那么厚,具有无可比拟的导电性。全世界的专家们都在畅想石墨烯在未来电路中的应用。尽管有那么多的超凡属性,石墨烯却没有能隙(energy
gap)。不同于普通的半导体,它的化学表现更像是金属。这使得它在类似于晶体管的应用上前景黯淡。这项新发现证明,硒化铟晶体可以做得只有几层原子那么薄。它已表现出大幅优于硅的电子属性。而硅是今天的电子元器件(尤其是芯片)所普遍使用的材料。更重要的是,跟石墨烯不同,硒化铟的能隙相当大。这使得它做成的晶体管可以很容易地开启/关闭。这一点和硅很像,使硒化铟成为硅的理想替代材料。人们可以用它来制作下一代超高速的电子设备。

五、人类首次飞秒拍摄到了半导体材料内部的电子运动

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电子是一种亚原子粒子,属于轻子的一种。长期以来,由于它的质量小(9.1×10-31千克),速度快(绕原子核一周只需要1.8×10-16秒),虽然用处广泛,却难以观测。2008年2月,来自瑞典的几位科学家首次拍摄到了单个电子的录像,实现了历史性的突破。然而,想要拍摄固体内部的电子,因为电子数量众多、环境复杂,更是难上加难。长期以来,科学家们没有找到任何直接观测的方法。如今,来自冲绳科学技术大学院大学(Okinawa
Institute of Science and Technology Graduate
University,OIST)的科学家们用他们的“飞秒照相机”成功地首次拍到了材料内部电子的运动轨迹,再度实现了突破。

六、美国犹他大学工程师最新发现新型二维半导体材料一氧化锡(SnO)

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一氧化锡这个“小鲜肉”由犹他大学材料科学和工程学副教授艾舒托什·蒂瓦里领导的研究团队发现,它由锡和氧元素组成。目前,电子设备内的晶体管和其他元件由硅等三维材料制成,一个玻璃基层上包含有多层三维材料。但三维材料的缺陷在于,电子会在层内的各个方向四处弹跳。蒂瓦里解释道,而二维材料的优势在于,其由厚度仅为一两个原子的一个夹层组成,电子只能在夹层中移动,所以移动速度更快。

七、德国开发出新型有机无机杂化“人工树叶”

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德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心michaellublow教授课题组日前首次设计合成了一种新型有机无机杂化的硅基光阳极(人工树叶)用于光解水产氧。得益于该保护层高稳定性、高导电性,光催化解水效率大幅提高,该项研究创新性地引入有机保护层,首次构造出了有机无机杂化的稳定光阳极结构,克服传统光阳极光解水的不稳定性问题,为光催化光阳极设计提供了新思路;同时,该保护层的制备方法具备良好的可扩展性,可沿用到其他半导体材料。

八、新型无机半导体材料SnIP具有DNA的双螺旋结构

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德国慕尼黑工业大学(Technical University of
Munich;TUM)的研究人员合成了一种高度弹性的无机半导体材料——SnIP,最特别的是它具有像DNA的双螺旋结构。

这种新型的半导体主要由锡(Sn)、碘(I)和(P)三种元素构成,能够展现出非凡的光学与电子特性,并具备极端的机械柔韧度,其纤维约有几公分长,但可任意弯曲而不至于断裂。截至目前为止,最细的SnIP纤维仅包含5种双螺旋链,而且厚度只有几奈米。

九、首块纳米晶体“墨水”制成的晶体管问世

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晶体管是电子设备的基本元件,但其构造过程非常复杂,需要高温且高度真空的条件。美韩科学家在《科学》杂志上报告了一种新型制造方法,将液体纳米晶体“墨水”按顺序放置。他们称,这种效应晶体管或可用3D打印技术制造出来,有望用于物联网、柔性电子和可穿戴设备的研制。

十、美国科学家设计超材料以光子形式释放能量传递信息

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美国劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家在《物理评论快报》杂志撰文指出,他们设计出了一种拥有自然界中没有的新奇属性的“量子超材料”,
它由光组成的人造晶体及被捕获的超冷原子构成,在很多方面与晶体类似,但结构更“完美”,没有天然材料内常见的瑕疵。

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