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2016年半導體材料領域十大突破

2017-01-13 08:39:55 n

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2016年對半導體行業來說是風起云涌。為了度過難關，各大企業不是一頭扎進了瘋狂的并購潮，就是加大力度進行技術研發。今天就讓我們來看一看2016年半導體材料都發生了哪些突破。

一、硅基導模量子集成光學芯片研制成功

7月份，中國科技大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室任希鋒研究組與浙江大學戴道鋅教授合作，首次研制成功硅基導膜量子集成芯片，他們在硅光子集成芯片上利用硅納米光波導中不同的能量傳輸模式，作為量子信息編碼的新維度，實現了單光子態和量子糾纏態在偏振、路徑、波導模式等不同自由度之間的相干轉換，其干涉可見度均超過90%，為集成量子光學芯片上光子多個自由度的操縱和轉換提供了重要實驗依據。

二、首個打破物理極限的1nm晶體管誕生

10月7日對于普通人來說可能沒有什么意義，但對于計算機技術界來說絕對是一個值得紀念的日子。據外媒報道，勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團隊打破了物理極限，將現有最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm。

三、碳納米晶體管性能首次超越硅晶體管

美國研究人員于9月6日宣布，他們成功制備出一種碳納米晶體管，其性能首次超越現有硅晶體管，有望為碳納米晶體管將來取代硅晶體管鋪平道路。硅是目前主流半導體材料，廣泛應用于各種電子元件。但受限于硅的自身性質，傳統半導體技術被認為已經趨近極限。碳納米管具有硅的半導體性質，科學界希望利用它來制造速度更快、能耗更低的下一代電子元件，使智能手機和筆記本電腦等設備的電池壽命更長、無線通信速率和計算速度更快。但長期以來，碳納米管用作晶體管面臨一系列挑戰，其性能一直落后于硅晶體管和砷化鎵晶體管。美國威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員在美國《科學進展》雜志上介紹了他們克服的多重困難。

四、“石墨烯之父”發現比石墨烯更好的半導體——硒化銦（InSe）

石墨烯只有一層原子那么厚，具有無可比擬的導電性。全世界的專家們都在暢想石墨烯在未來電路中的應用。盡管有那么多的超凡屬性，石墨烯卻沒有能隙（energy gap）。不同于普通的半導體，它的化學表現更像是金屬。這使得它在類似于晶體管的應用上前景黯淡。這項新發現證明，硒化銦晶體可以做得只有幾層原子那么薄。它已表現出大幅優于硅的電子屬性。而硅是今天的電子元器件（尤其是芯片）所普遍使用的材料。更重要的是，跟石墨烯不同，硒化銦的能隙相當大。這使得它做成的晶體管可以很容易地開啟/關閉。這一點和硅很像，使硒化銦成為硅的理想替代材料。人們可以用它來制作下一代超高速的電子設備。

五、人類首次飛秒拍攝到了半導體材料內部的電子運動

電子是一種亞原子粒子，屬于輕子的一種。長期以來，由于它的質量小（9.1x10-31千克），速度快（繞原子核一周只需要1.8x10-16秒），雖然用處廣泛，卻難以觀測。2008年2月，來自瑞典的幾位科學家首次拍攝到了單個電子的錄像，實現了歷史性的突破。然而，想要拍攝固體內部的電子，因為電子數量眾多、環境復雜，更是難上加難。長期以來，科學家們沒有找到任何直接觀測的方法。如今，來自沖繩科學技術大學院大學（Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University，OIST）的科學家們用他們的“飛秒照相機”成功地首次拍到了材料內部電子的運動軌跡，再度實現了突破。

六、美國猶他大學工程師最新發現新型二維半導體材料一氧化錫（SnO）

一氧化錫這個“小鮮肉”由猶他大學材料科學和工程學副教授艾舒托什·蒂瓦里領導的研究團隊發現，它由錫和氧元素組成。目前，電子設備內的晶體管和其他元件由硅等三維材料制成，一個玻璃基層上包含有多層三維材料。但三維材料的缺陷在于，電子會在層內的各個方向四處彈跳。蒂瓦里解釋道，而二維材料的優勢在于，其由厚度僅為一兩個原子的一個夾層組成，電子只能在夾層中移動，所以移動速度更快。

七、德國開發出新型有機無機雜化“人工樹葉”

德國亥姆霍茲柏林材料與能源中心michaellublow教授課題組日前首次設計合成了一種新型有機無機雜化的硅基光陽極（人工樹葉）用于光解水產氧。得益于該保護層高穩定性、高導電性，光催化解水效率大幅提高，該項研究創新性地引入有機保護層，首次構造出了有機無機雜化的穩定光陽極結構，克服傳統光陽極光解水的不穩定性問題，為光催化光陽極設計提供了新思路；同時，該保護層的制備方法具備良好的可擴展性，可沿用到其他半導體材料。

八、新型無機半導體材料SnIP具有DNA的雙螺旋結構

德國慕尼黑工業大學（Technical University of Munich；TUM）的研究人員合成了一種高度彈性的無機半導體材料——SnIP，最特別的是它具有像DNA的雙螺旋結構。

這種新型的半導體主要由錫（Sn）、碘（I）和（P）三種元素構成，能夠展現出非凡的光學與電子特性，并具備極端的機械柔韌度，其纖維約有幾公分長，但可任意彎曲而不至于斷裂。截至目前為止，最細的SnIP纖維僅包含5種雙螺旋鏈，而且厚度只有幾奈米。

九、首塊納米晶體“墨水”制成的晶體管問世

晶體管是電子設備的基本元件，但其構造過程非常復雜，需要高溫且高度真空的條件。美韓科學家在《科學》雜志上報告了一種新型制造方法，將液體納米晶體“墨水”按順序放置。他們稱，這種效應晶體管或可用3D打印技術制造出來，有望用于物聯網、柔性電子和可穿戴設備的研制。

十、美國科學家設計超材料以光子形式釋放能量傳遞信息

美國勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校的科學家在《物理評論快報》雜志撰文指出，他們設計出了一種擁有自然界中沒有的新奇屬性的“量子超材料”，它由光組成的人造晶體及被捕獲的超冷原子構成，在很多方面與晶體類似，但結構更“完美”，沒有天然材料內常見的瑕疵。