一文了解3大類信息電子材料及重要研究進展

2020-12-15 中化新網

信息電子材料主要是指使用在微電子和光電子技術領域以及新型元器件基礎產業的材料,一般劃分成集成電路及半導體材料、光電子材料、新型電子元器件材料三個大類,涉及微電子材料、介電材料、壓電材料、傳感器材料、能源電池材料、光電材料和有機電子材料等。其中有很多材料都涉及到納米化問題,以實現靈敏度、集成程度或其他性質上的提升。信息電子用材料與器件的納米化,體現了該產業發展過程中對器件更高性能的不斷追求。


集成電路及半導體材料


用於集成電路和微電子技術的半導體器件中最重要的就是電晶體。電晶體製程越小,同體積晶片上可以集成的電晶體就越多,這樣晶片的性能就越強,功耗越小。而電晶體製程的大小是以電晶體柵極的寬度來衡量的。傳統的矽基電晶體柵極的理論最小值大約為5nm,工業上量產的基本都是矽基納米電晶體,不過近期的研究中也有一些非矽材料納米電晶體出現。


此前,美國威斯康辛大學麥迪遜分校宣布,首次實現了碳納米管電晶體性能超越矽基電晶體,其性能是矽電晶體的1.9倍。美國勞倫斯伯克利實驗室也宣布,由該實驗室科學家Ali Javey領導的研究團隊已經製作出了具有1nm柵極(gate)的電晶體,此項研究的關鍵是使用了碳納米管和二硫化鉬(MoS2)材料,其中用碳納米管作為柵極材料,因而突破了矽電晶體的製程理論極限。


光電子材料


光電子材料是發展光電信息技術的基礎,主要包括雷射材料、紅外探測材料以及光纖材料等。可以將光電子材料製成納米態以滿足特殊應用需要或者使相關器件獲得新的性能。


1.納米雷射材料


雷射材料是把各類泵浦能量轉換成雷射的材料,對於雷射器來說是工作材料。在雷射器上有時要使用納米級材料製備的元件以提高其性能。


此前,澳大利亞國立大學研究發現通過向納米雷射器中添加鋅原子可以顯著改善雷射器的性能。這種雷射器的直徑為納米級,由砷化鎵製成。美國勞倫斯伯克利國家實驗室宣布發現了一個簡單的新方法可以生成納米線,該納米線能夠用來製作納米尺度的線材以及色彩可調諧的納米級雷射發生器。


2.納米紅外探測材料


紅外探測器就是通過光電轉換把目標的紅外熱輻射信息轉化為可度量的電學信息,從而在夜晚實現熱輻射信息可視化的儀器。紅外探測對於現代戰爭極為重要,我國進行了很多該領域納米材料的研究。


此前,中國科學院上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室在新型納米線紅外光電探測器研究中取得進展,他們成功製備的單根納米線場效應電晶體實現了寬譜快速紅外探測。


3.納米光纖材料


光纖,是一種利用光在玻璃或塑料製成的纖維中的全反射原理而實現光傳導的工具,是光通訊的基礎。在其中加入納米材料或納米結構,就形成了納米光纖材料。


此前,美國飛博蓋德公司宣布已獲得美國TelAztec公司獨家授權,從而研發光纖電纜用的「蛾眼減反射」納米結構。與傳統的抗反射鍍層相比,飛博蓋德「蛾眼減反射」納米結構光纖產品具有極高的耐久性和高效的抗反射表面,易於清理並擁有優異的損傷閾值。


新型電子元器件材料


新型電子元器件材料具有小型化的發展趨勢,主要包括:納米磁性材料、納米電子陶瓷材料、納米電池材料和納米信息傳感材料等領域。


1.納米磁性材料


一般情況下,磁性材料是指由過渡金屬元素鐵、鈷、鎳及其合金等能夠直接或間接產生磁性的物質。按磁化後去磁的難易程度可分為軟磁和硬磁兩類。磁化後容易去掉磁性的叫軟磁性材料,不容易去磁的叫硬磁性材料。目前,永磁材料具有高矯頑力、高磁能積、高剩磁的發展趨勢。


此前,日本東北大學聯合日本電磁材料研究所等研究機構通過混合鐵鈷合金納米磁性顆粒和氟化鋁製備而成透明強磁性薄膜材料,有望應用於汽車、飛機等下一代透明磁性設備上。我國也在納米磁性材料領域取得了一定的進步。中科院寧波材料所的研究團隊開發了一種可宏量製備硬磁納米顆粒的方法,利用NaCl顆粒作為FePt納米顆粒成核和生長的介質,抑制團聚的發生,顆粒尺寸可在6.2-15 nm調控,矯頑力可在3.15-21.5 kOe調控。


2.納米電子陶瓷材料


電子陶瓷是指在電子工業領域可以利用電、磁性質的陶瓷,通常情況下,可通過對表面、晶界和尺寸結構的精密控制而獲得新的功能。


此前,荷蘭特文特大學研究團隊開發了一種新型陶瓷材料,具有紙一般的柔性和聚合物材料的輕盈,同時仍能保持超高的耐高溫性,並被稱為柔性陶瓷,有望成為新型電子設備的基質材料。該材料的製備採用了陶瓷納米纖維工藝,在1200℃下連續加熱24小時不會燃燒和融化。


3.納米電池材料


目前,電池材料朝著高比能、長壽命、輕型化的方向發展,而鋰離子電池廣泛應用於電子設備、新能源汽車等領域,商品化程度極高。電池材料主要包括正極材料、負極材料和隔膜等,其中電極材料可製備成納米態,以提高電池整體性能。


此前,美國加州大學河濱分校開發出一種新型矽-錫納米負極材料,大幅增加鋰離子電池充放電循環次數。與石墨基負極材料相比可提高3倍的充電容量,經過多次循環矽-錫納米複合負極材料仍能保持出色的循環穩定性,延長了電池的使用壽命。使用矽-錫納米複合負極材料配以簡單的製造工藝,可擴大鋰離子電池在下一代電動汽車領域的應用。


4.納米信息傳感材料


傳感器是指能夠感受規定的被測量並按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,並能將檢測感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。


此前,日本物質•材料研究機構和美國麻省理工學院聯合開發了一種碳納米管化學傳感器可以集成到智慧型手機上探測有毒氣體,可通過電導率變化檢測毒氣。


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