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科学家发现煤在先进电子的新用途
[发布时间:2024-01-12 浏览次数:1062]

 据Mining.com网站报道,由煤焦转化为纳米级碳盘而产生的碳点连接可形成原子级薄膜,能够应用于二维晶体管和忆阻器,这项技术对于研发更先进的电子产品至关重要。

 在最新发表在《通信工程》杂志的一篇论文中,来自美国国家能源技术实验室(NETL,National Energy Technology Laboratory)、伊利诺伊州厄巴纳-香槟分校、橡树岭国家实验室和台湾半导体制造公司的研究人员称,煤在下一代电子设备中可发挥关键作用。

 “煤通常被认为多而脏,但我们研发的加工技术可以将其转化为只有几个原子厚的高纯度材料”,联合研究组长曹庆在一份声明中称。“其独特的原子结构和性质使得它们非常适于制造一些性能优于目前最先进技术的最小电子产品”。

 曹庆解释说,在不断寻找更小、更快和更高效的电子产品的过程中,最终是要用一两个原子厚的材料来制造设备。这是设备的极限,规模小使得它们运行的更快,能量消耗也少的多。虽然超薄半导体已经被广泛研究,但也需要拥有原子薄绝缘体,一种能够阻挡电流并用来制作晶体管和忆阻器等电子设备的材料。

 煤焦衍生碳层作为绝缘体

 拥有无序原子结构的原子薄层碳可以作为制作二维器件的良好绝缘体。合作研究人员已经展现这种碳层可以由煤焦衍生的碳点形成,为展现他们的能力,以曹庆为首的伊利诺伊州大学研究组研发了两个二维设备样品。

 曹庆说,“这真的令人兴奋,因为这是我们通常认为技术含量低的煤首次与最先进的微电子直接联系在一起”。

 他的团队在基于半金属石墨烯或半导体二硫化钼的二维晶体管中采用煤衍生的碳层作为栅极电介质,在设备运行速度提高一倍的同时,而能耗更少。

 与其它原子薄材料一样,煤衍生的碳层不具有“悬空键”或与化学键无关的电子。这些位点在传统三维绝缘体的表面上大量存在,通过有效地充当“陷阱”来改变其电特性,以降低移动电荷的传输,从而放缓晶体管的开关速度。

 然而,与其他原子薄材料不同的是,煤衍生碳层无定形,也就是说它们的晶体结构不规则。因此,它们在不同晶体区域之间不存在边界,这些边界会充当导致“泄漏”的传导路径,电流意外通过绝缘体,并在器件运行期间导致大量额外的功耗。

 适合用于人工智能

 曹庆团队考虑的另外一个应用是忆阻器,这是一种既能存储数据又能对数据进行操作的电子元件,它可以极大地促进人工智能技术的推广。这种设备通过调制由一对电极之间的电化学反应形成的导电细丝(绝缘体夹在导电细丝之间)来存储和表示数据。

 研究者发现,超薄煤衍生碳层作为绝缘体,可以在低能耗的情况下快速制作这种细丝,从而以低功耗实现器件的高运行速度。另外,煤衍生的碳层中的原子环限制了灯丝,可以增强可重复的设备操作,从而提高了数据存储的保真度和可靠性。

 曹庆研究组研发的新设备证明煤衍生碳层在二维器件中的使用原理上是可行的,下一步需要做的是验证此类设备可否大规模制造。

 “半导体行业,包括我们在台积电的合作者在内,都对二维器件的功能非常感兴趣,我们正在努力兑现这一承诺”,曹庆称。“未来几年,伊利诺伊大学将继续与NETL合作,开发可大规模推广的煤基碳绝缘体制造工艺。”


 (文章来源:https://geoglobal.mnr.gov.cn/zx/kydt/kykj/202401/t20240108_8710691.htm,全球地质矿产信息系统)

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标签:高纯度材料电子产品晶体管忆阻器

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