新型超穎材料:帶來無需半導體的微電子設備

2021-01-15 IntelligentThings


掃描式電子顯微照片 :無需半導體的微電子設備(左上),黃金超穎表面(右上和下面)。

(圖片來源於:加州大學聖地牙哥分校應用電磁學小組)


引言


最近,加州大學聖地牙哥分校的工程師們製造了首個無需半導體、光學控制的微電子設備。他們使用了超穎材料構造了一種微型設備,通過低電壓和低功率雷射器激活後,該設備的導電率會增加10倍。


這項發現推進了高速、高性能的微電子設備和更高效的太陽能板的研究。研究發表在11月4日的《自然通信》雜誌上。


現有微電子設備性能受限於半導體


研究人員稱,現有的微電子設備例如電晶體,其性能最終受限於組成材料(例如半導體)的特性。


例如,半導體能夠限制設備的導電性或者電子流。半導體具有「帶隙」,它們需要外部的能量讓電子流過它們。而且,電子速度有限,因為電子在流過半導體時,不斷地和原子碰撞。


如何消除半導體帶來的瓶頸?


一組來自應用電磁學小組的研究人員,在加州大學聖地牙哥分校的電氣工程教授 Dan Sievenpiper 帶領下,想消除導電性方面的障礙,他們通過空間中的自由電子取代半導體。Sievenpiper 實驗室的博士後研究員、研究的第一作者 Ebrahim Foratid 說:


「我們想在微觀級別這麼做。」


使電子變得自由有哪些挑戰?


然而,讓材料中的電子變得自由是非常具有挑戰性的工作。它需要高電壓(至少100伏特),或者需要高功率雷射器,或者超高溫(超過1000華氏度),這些在微米和納米級別電子設備上都是不實際的。



無需半導體的微電子設備
(圖片來源於:加州大學聖地牙哥分校應用電磁學小組)


超穎表面的結構


為了應對這個挑戰,Sievenpiper 的團隊製造了一個微型設備,無需這些極端條件,就可以從材料中釋放電子。人工設計的表面(「超穎表面」),位於在矽片上中間有一層氧化矽,組成了該設備。超穎表面,由平行的黃金帶陣列上的一組菌菇般的黃金納米結構陣列組成。


超穎表面的工作原理


黃金超穎表面是這麼設計的:當直流低電壓(低於10伏)和低功率紅外雷射器作用時,超穎表面會產生「熱點」,這些點具有高密度電場,產生足夠的能量將電子從金屬中激發出,釋放到空間中去。


研究的意義、應用、未來展望


設備上測試顯示導電性發生10倍的變化。Ebrahim 說


「這意味著更多的電子可被操作。」


Sievenpiper 說:


「當然,這不可能取代所有的半導體設備,但是它可能是特殊應用的最佳選擇,例如超高頻或者高功率設備。」


根據研究人員說法,這種特殊的超穎表面目前在概念驗證階段。為了滿足不同各類型的微電子設備的需要,研究人員將會設計不同類型的超穎表面。


Sievenpiper 說:


「下一步,我們需要理解這些設備可以擴展到什麼規模,以及它們的性能範圍。」


除了電子設備,團隊也在開發這項技術的其他應用,例如光化學、光催化作用、新型光伏設備或者環境應用。


參考資料


【1】http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2060

【2】Ebrahim Forati, Tyler J. Dill, Andrea R. Tao, Dan Sievenpiper. Photoemission-based microelectronic devices. Nature Communications, 2016; 7: 13399 DOI: 10.1038/ncomms13399


相關焦點

  • 全球首個無半導體的微電子器件問世 導電性能增加10倍
    近日,加利福尼亞大學聖地牙哥分校(University of California San Diego)的工程師利用超材料(metamaterials)研發出世界上首個無半導體的光控微電子器件,該電子器件僅在低電壓、低功率雷射的激發下,導電性能相比傳統增加
  • 新型紅外線發射器:由超穎材料製成,可利用廢熱!
    超材料(圖片來源於:維基百科)這些材料的應用領域包括光纖、醫療設備、航空航天、傳感器、基礎設施監控、智能太陽能管理、雷達罩、超材料雷達天線、聲學隱身技術、吸波材料、全息技術等等。之前,John在《新型超穎材料:有效助推太赫茲技術發展》、《新型超穎材料應用前景廣闊:可吸收光線能量產生振蕩》、《科學家研發超穎材料設備 全息技術從科幻走向現實》這幾篇文章中,都有提及超穎材料的一些具體應用。負折射率幾乎所有的天然材料,在碰到光學介質例如玻璃或者水的時候,都會具有正的介電常數和磁導率,所以它們都是正折射率材料。
  • 新型超穎材料應用前景廣闊:可吸收光線能量產生振蕩
    研究簡介這項研究展示了一種基於新材料的方案,開發了一種光學驅動的機械振蕩器。研究人員稱,該設備可以作為一種新型頻率設備,保持GPS,計算機,手錶和其他設備的時間精準性。這種基於新材料的平臺,還存在其他潛在應用,包括高精度傳感器和量子換能器。研究發表在10月10日的《自然光電》雜誌上。
  • 科學家研發超穎材料設備 全息技術從科幻走向現實
    材料然而,實現任何技術都離不開材料,全息技術更需要特殊材料。此時,一種材料走入了科學家的視線,她就是:「超穎材料」。超穎材料,是指一類通過人工設計結構實現,具有天然材料無法具備的超常物理特性的材料。然而,由「超穎材料」構成的薄層,就成了「超穎表面」,它對光線的控制效果前所未有。
  • 用「超穎材料」實現多設備同時充電,Metaboards獲500萬美元融資
    Metaboards是一家做新型無線充電技術的公司。Metaboards成立於2016年,由牛津大學的教授和研究人員創立,他們正在嘗試用一種「超穎材料」來提出更好的無線充電解決方案。新方案可以解決目前無線充電的短板,比如需要設備和充電器對接,新科技還能用一個充電點給多個設備充電。廣泛來說,「超穎材料」是一種由塑料或者金屬這樣的化合物組成的新型材料。
  • 雷射雷達新軍 Lumotive 玩上了超穎材料
    」(LCM),其核心是超穎材料。除此之外,Lumotive 的產品可能還會出現在售後市場(無需達到車規級別)。顯然,Lumotive 玩的是放長線釣大魚,它想用最低的成本吃進最大的市場份額。所謂的超穎材料其實就是「人工合成材料,具有許多自然材料不具備的特性」,而它的強大之處在於可控性。在這裡,超穎材料並不特指哪種物質,它其實是一種「設計方法」,目的是找到控制光線運動的新方法。杜克大學物理學教授 David Smith 指出,超穎材料並非什麼新概念,Kymeta 公司在平面天線技術中就已經實現了超穎材料的商業應用。
  • 從國產晶片到半導體設備細分領域,瀋陽芯源微電子面面觀
    如果說ic晶圓製造領域是頭部效應,贏者通吃,那麼相較於國產ic製造廠商,譬如中芯國際(00981-HK)、華虹半導體(01347-HK),處在半導體產業鏈前端的半導體材料廠商和半導體設備廠商面對的是更加適宜的環境。
  • 新型超材料:可用於太陽能電池和納米光學器件!
    背景   超材料(metamaterial),又稱超穎材料,一般是指通過人工設計結構實現,具有天然材料無法具備的超常物理特性的複合材料。舉例來說,超材料可以操控光波、聲波、電磁波等,實現普通材料所無法實現的功能。
  • 華為加速進軍第三代半導體,入股全芯微電子!
    11月23日,據企查查消息顯示,哈勃科技投資有限公司又新增投資了寧波潤華全芯微電子設備有限公司(簡稱「全芯微電子」),投資數額約214.29萬元,投資比例佔6.31%。2016年9月,主要從事化合物半導體、LED、SAW、 OLED、光通訊、MEMS、先進封裝等新型電子器件製造領域,經營範圍包含:半導體晶片生產設備、測試設備、機械配件等。
  • 半導體設備龍頭北方華創
    公司電子工藝裝備主要包括半導體裝備、真空裝備和鋰電裝備,廣泛應用於集成電路、半導體照明、功率器件、微機電系統、先進封裝、光伏、新型顯示、真空電子、新材料、鋰離子電池等領域;電子元器件主要包括電阻、電容、晶體器件、微波組件、模塊電源、混合集成電路,廣泛應用於航空航天、精密儀器儀表、自動控制等高、精、尖特種行業領域。
  • 超穎材料助VR、AR價格更親民
    作者:DIGITIMES謝明珊虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)逐漸應用在日常生活中,只可惜成本向來極為高昂,所幸韓國研究團隊最近研發出全新超穎材料(Metamaterial)和列印技術,可望催生價格更親民的VR/AR技術。
  • 獨山中科晶元新型半導體材料生產項目點火投產
    原標題:獨山中科晶元新型半導體材料生產項目點火投產   2月4日,獨山中科晶元信息材料有限公司新型半導體材料生產項目正式點火投產,標誌著獨山新型材料產業發展邁出了關鍵的一步。
  • 半導體被寫入「十四五」!中國先進半導體材料及輔助材料發展戰略...
    中美貿易摩擦的升級和 2020 年新型冠狀病毒肺炎疫情的出現,將對全球先進半導體材料和輔助材料供應鏈安全與產業鏈分工產生持續影響。目前,美國及其夥伴國將一些關鍵材料、生產裝備列入管制清單,危及我國半導體產業和相關工業體系的安全。因此,實現先進半導體材料、輔助材料、關鍵技術、重要裝備等的自主可控刻不容緩。
  • 微電子不微丨陝西省最高科學技術獎獲得者郝躍:深耕微電子,引領新方向
    「微電子不微。」這是郝躍常說的一句話。隨著信息科技的發展,以集成電路晶片為核心的微電子技術,不僅與我們的生活息息相關,更是國家核心競爭力的體現。新型氮化物半導體國際上稱為第三代材料,又稱為寬禁帶半導體材料。氮化物半導體器件在通信、電力系統、照明、生物、醫療,以及軍事領域具有十分廣泛的應用前景。
  • 日產展示聲學超穎材料:讓EV變得更加安靜
    當地時間周二,日產在拉斯維加斯舉行的CES上發布了其最新研發的聲學超穎材料。這種材料跟與傳統隔音材料的不同之於它使用了兩層輕質塑料,在它們之間則用了蜂窩狀斜格結構。這種結構主要能夠利用空氣來捕捉相對低頻振動(500Hz到1200 hz),而道路的噪音就在這個範圍內。
  • 半導體材料的性能分析及其應用
    摘要:社會經濟發展為各行各業帶來了更大的挑戰和更好的發展機遇,對於半導體行業來說,要求材料的更好運用和對技術的不斷革新,半導體物理也成為材料物理重要的研究方向。半導體的材料種類相當多,在目前的應用來看,化學的組成成分,可以將半導體分成元素半導體化合物半導體等等,按照組成的元素來分,也能夠分為一元二元三元多元等半導體,這大部分半導體的材料都是由單晶矽製片以後,直接用於半導體的製造當中,目前我國的矽儲量是比較豐富的,而且這種材料的價格相對於其他半導體來說也處於比較低的位置,它不僅能夠有著優良的性能,而且成本低,這樣給很多的產業帶來了巨大的利潤,同時矽材料在目前處於主導和核心的地位
  • 中國半導體上市公司2018年的表現盤點:材料和設備篇
    半導體設備 總體來看,半導體設備環節國產替代率依然很低,主要設備還是依賴從發達國家進口,這是大陸半導體的薄弱環節,需要相關廠商繼續攻克難題,進一步完善產業鏈成套布局。 北方華創 北方華創是由北京七星華創電子股份有限公司和北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司戰略重組而成,是目前國內集成電路高端工藝裝備的領先企業。北方華創擁有半導體裝備、真空裝備、新能源鋰電裝備及精密元器件四個事業群,為半導體、新能源、新材料等領域提供解決方案。
  • 霍尼韋爾推出新型半導體銅錳濺射靶材
    霍尼韋爾(紐約證券交易所代碼:HON)今日宣布推出新型銅錳濺射靶材,其採用的專利技術能為半導體生產商帶來更高的靶材硬度、更長的使用壽命以及更卓越的性能表現。
  • 半導體設備行業半導體系列10:計算光刻技術管控升級,光刻工藝設備...
    參考中國科學院微電子研究所計算光刻課題組介紹,主流的計算光刻軟體主要包括Tachyo(荷蘭ASML/Brio)、Prolith(美國KLA)、Calibre(Metor Graphics)等,其中ASML在SMO有優勢,Metor 在OPC優勢明顯,Syopsys 東西比較多而全且靈活性強。但晶圓廠通常採購多個計算光刻軟體品牌而達到提升議價能力的目的。