材料領(lǐng)域八大關(guān)注

第三代半導(dǎo)體材料是以寬禁帶為特點的一類半導(dǎo)體材料,包括碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)等代表性材料。這一特點使得第三代半導(dǎo)體材料的同第一代(Si)、第二代(GaAs、InP)半導(dǎo)體材料相比,具備更高的擊穿電場、熱導(dǎo)率、電子飽和速率及更好的抗輻射能力。宏觀表現(xiàn)出來,就是在高溫、高頻、高輻射劑量及大功率等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料(尤其是SI)難以勝任的場合具有顯著優(yōu)勢。

以最典型的SiC材料為例。SiC能夠帶來能夠更高的光電轉(zhuǎn)換效率,用于LED照明可降低40%的成本,應(yīng)用于太陽能發(fā)電則可降低25%以上的轉(zhuǎn)換損失。SiC還能夠減少功率元件的電力損失,應(yīng)用于超高壓直流輸電和智能電網(wǎng)領(lǐng)域可降低60%電力損失,并提高40%的供電效率;應(yīng)用在家電、高鐵、新能源汽車、工業(yè)電機等領(lǐng)域也可實現(xiàn)20~50%不等的節(jié)能效率。效率的提高也會帶來器件體積的減少,例如用于電腦適配器就可減少80%的體積。

2014年起,美國就成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,目前已經(jīng)獲得了美國各級政府的1.4億美元的投資。日本政府則更早認識到了SiC的重大意義,將其視為未來節(jié)能戰(zhàn)略的重要技術(shù),并在2013年將其納入了“首相戰(zhàn)略”。

石墨烯是一種二維碳材料,具有超薄、柔性、高強度、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、透光率好等獨特性能,被認為有望在多個科研和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域帶來革命性進展。目前主要關(guān)注的潛在應(yīng)用方向包括:新一代集成電路的基礎(chǔ)材料、新一代觸摸屏的透光導(dǎo)電膜、高效導(dǎo)熱膜、改善電池性能的添加劑等。石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也獲得了全球各主要國家的重點關(guān)注。我國石墨烯制造相關(guān)的市場活動和產(chǎn)業(yè)計劃呈遍地開花之勢,目前已經(jīng)有企業(yè)發(fā)展到了噸級生產(chǎn)能力。重慶已經(jīng)生產(chǎn)了首批采用了石墨烯觸屏、電池和導(dǎo)熱膜的手機。石墨烯超級電池在新能源汽車的試驗中也實現(xiàn)了充電8分鐘續(xù)航1000公里的顛覆性表現(xiàn)。石墨烯場效應(yīng)晶體管在實驗室中也顯示出了高達155G的超高主頻。

當(dāng)然,目前石墨烯的發(fā)展還存在許多關(guān)鍵性的障礙,例如批量生產(chǎn)的石墨烯質(zhì)量較低、缺乏帶隙結(jié)構(gòu)、環(huán)境風(fēng)險等等。但在資本力量已經(jīng)大舉介入的情況下,可以預(yù)見2016年石墨烯產(chǎn)業(yè)會迎來大的發(fā)展。

康寧公司計劃中的柔性玻璃Willow除了更薄、更耐磨、更通透之外,還具有一個突出的有點:柔性。在需要的時候甚至可以將玻璃卷起來,甚至其生產(chǎn)過程也借鑒了造紙工廠的靈感。這一材料可以用于電子設(shè)備的曲面屏幕,以及太陽能電池和照明等場合。Willow原定于2013年面世,但是由于技術(shù)和工藝等方面的原因,最終的終端產(chǎn)品可能會在2016年才能出現(xiàn)。

液態(tài)金屬可以通過“吞噬”少量物質(zhì)而獲得能量,并具備無需外接電力的自主高速運動能力。在不同的環(huán)境中,液態(tài)自驅(qū)動金屬能夠體現(xiàn)出拐彎、變形、分裂、融合、互動等復(fù)雜的行為,甚至給人以“金屬生物”之感。這一性能雖然距離電影中的液態(tài)機器人仍然遙遠,但已經(jīng)使智能馬達、微型機器人、高效泵送機構(gòu)、柔性運動機構(gòu)等看到了可能,有望為機械領(lǐng)域帶來諸多變革性進步。

石墨烯作為第一種宏觀二維材料,顯示出了諸多神奇性質(zhì)而受到了普遍關(guān)注,尤其是在電子工業(yè)中被視為具有顛覆性潛力的新材料。但石墨烯是電的良導(dǎo)體,缺乏能隙結(jié)構(gòu)的先天缺陷目前還難以解決,因此距離集成電路方面的應(yīng)用仍然非常遙遠。

針對這一問題,一些科學(xué)家嘗試尋找一種既具有二維材料的特性,又具有能隙結(jié)構(gòu)的新材料。黑磷則被寄予了厚望。普通的白磷經(jīng)過精確的熱處理具備了層狀結(jié)構(gòu),再經(jīng)過一系列處理后即可分離為單層的二維材料。黑磷具有可調(diào)半導(dǎo)體的特性,能夠用于代替目前的許多半導(dǎo)體元件,例如晶體管、傳感器、太陽能電池、電路開關(guān)等。此外黑磷對光線的分散效果也超過石墨烯,因此有望率先應(yīng)用于光電領(lǐng)域。

壓電材料受到外力作用時,能將機械能轉(zhuǎn)變成電能。氧化鋅納米棒受力彎曲時就會產(chǎn)生微弱的電壓。將兩塊材料的摩擦面做成齊整密布、具有壓電效應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)。這樣兩塊材料來回摩擦,會產(chǎn)生群體壓電效應(yīng),造成群體納米電源疊加。通過將兩塊材料的納米結(jié)構(gòu)插入對方的縫隙的摩擦方式則可以避免表面的磨損。這樣的摩擦式納米電源已經(jīng)可以為體積很小的微-納電子器件供電,可使這樣的器件結(jié)構(gòu)變簡單,生產(chǎn)工藝簡化,制造成本下降,使用壽命延長,利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)與實際應(yīng)用。很多低頻率的低頻機械可以用類似的方法轉(zhuǎn)化為電能。目前的一些研究成果已經(jīng)可以實現(xiàn)超過300伏的輸出電壓。