國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究出超寬禁帶半導(dǎo)體材料

    將有助于縮小功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)尺寸

    近日，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員展示了先進(jìn)半導(dǎo)體材料制成的晶體管和二極管，性能遠(yuǎn)優(yōu)于硅材料。

    這項(xiàng)突破朝著實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高效的電力電子更近了一步，將有助于提升消費(fèi)電子到電網(wǎng)等等相關(guān)設(shè)備。功率電子通過(guò)轉(zhuǎn)換電壓、電流和頻率，將能量從電源轉(zhuǎn)換至負(fù)載或用戶端，對(duì)于電子系統(tǒng)非常重要。

    超寬禁帶（UWBG）半導(dǎo)體材料研究

    桑迪亞“超寬禁帶（UWBG）半導(dǎo)體材料項(xiàng)目”研發(fā)實(shí)驗(yàn)室工程師Kaplar表示：“我們的研究目標(biāo)就是壓縮電源和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”。研發(fā)的方法是生長(zhǎng)有較少缺陷的材料，并制造出各種器件，借此研究這些新材料的特性，發(fā)現(xiàn)特性顯著優(yōu)于硅材料。

    該項(xiàng)目回答了材料的行為、如何利用等問(wèn)題，為新型超禁帶的研究奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。同時(shí)，該項(xiàng)目能夠幫助桑迪亞拓展研究工作，利用這些更好的半導(dǎo)體器件研發(fā)更緊湊的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

    帶隙是材料的基本屬性，根據(jù)帶隙值有助于確定材料的導(dǎo)電性和晶體管的性能。寬禁帶（WBG）材料能夠讓器件工作在高壓、高頻和高溫條件下，而且隨著研究的深入，寬禁帶材料已經(jīng)開(kāi)始對(duì)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

    演示最寬禁帶晶體管

    桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的研究人員曾演示了一款最大禁帶寬度的晶體管——高電子遷移率晶體管，研究結(jié)果發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》。此外，還在《電子快報(bào)》發(fā)表兩篇文章，分別分析了GaN二極管和AlGaN二極管的特性。

    Kaplar表示：“這三篇文章只是實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高效電源轉(zhuǎn)換器工作的一部分。研究人員非常高興能夠在半導(dǎo)體材料和器件物理特性研究方面有所進(jìn)展。”但這些工作并不意味著超寬禁帶半導(dǎo)體材料已能夠進(jìn)入市場(chǎng)。“對(duì)于超寬禁帶二極管和晶體管，還有許多需要改進(jìn)、需要優(yōu)化的地方，還有很多行為沒(méi)能夠理解。”

    桑迪亞等地的研究人員已經(jīng)研究SiC、GaN等寬禁帶近二十年。近年來(lái)，桑迪亞看中了AlGaN等下一代超寬帶半導(dǎo)體材料。實(shí)際上，桑迪亞創(chuàng)造了“超寬禁帶”一詞，引起了整個(gè)研究界的關(guān)注。

    縮小轉(zhuǎn)換系統(tǒng)尺寸

    半導(dǎo)體材料的特征是效率和有效性，所以可以假設(shè)，如果一種材料比另一種好10倍，那么相應(yīng)器件供電就可以少十倍。其實(shí)并沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。Kaplar表示“這取決于功率轉(zhuǎn)換器中的其它組件，包括磁性元件、電容等。我們已經(jīng)開(kāi)始研究如何縮小功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。”

    Kaplar及桑迪亞的其他領(lǐng)域?qū)＜夜餐芯堪雽?dǎo)體和功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中其它元件的關(guān)系，“如果系統(tǒng)中別的元器件限制了半導(dǎo)體器件，那么就很難充分利用半導(dǎo)體器件的潛力實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)尺寸縮小。”

    在分配電網(wǎng)能量的應(yīng)用中，越好的半導(dǎo)體材料耐受的絕對(duì)電壓越高。目前的解決辦法是通過(guò)串聯(lián)堆疊器件來(lái)達(dá)到高的電壓。而由于超寬禁帶材料耐壓比傳統(tǒng)材料更高，所以需要堆疊的器件更少。Kaplar表示，超寬禁帶材料還能夠用于極端溫度或輻射環(huán)境，如核武器或衛(wèi)星應(yīng)用。

    美科學(xué)家研制出具有嵌入式、預(yù)設(shè)功能的絲蛋白材料

    根據(jù)美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》近期發(fā)表的一篇論文，塔夫茨大學(xué)的工程師研制出一種由絲蛋白質(zhì)制成的新固體形式，可以預(yù)先設(shè)置生物、化學(xué)或光學(xué)功能，譬如隨壓力改變顏色、對(duì)光做出反應(yīng)的機(jī)械部件。

    特點(diǎn)

    絲具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，是自然界中韌性最強(qiáng)的材料之一。絲蛋白是絲中一種不溶性蛋白，既具有完全的生物兼容性和生物可降解性，又能保護(hù)其他材料。研究人員根據(jù)蛋白質(zhì)自組裝特性，使用一種水基制備法，由絲蛋白生成三維塊狀材料；然后利用水溶性分子將這些材料處理成具有嵌入式、預(yù)設(shè)功能的各種納米級(jí)到微米級(jí)固體形式。譬如，研究人員制成了一種可以隨機(jī)械極限臨近而改變顏色的手術(shù)針，一種可以根據(jù)所受紅外光按需加熱的功能螺釘，以及一種可以促成生物活性劑緩釋的生物兼容部件。

    潛在應(yīng)用

    研究人員表示，在生物聚合物中嵌入功能元件、控制其自組裝并修改其最終形式的能力，為高性能多功能材料的仿生制造提供了重大機(jī)遇。本項(xiàng)研究的潛在應(yīng)用包括：可以植入生長(zhǎng)因子或酶的新型整形外科機(jī)械部件，隨著接近轉(zhuǎn)矩限制而改變顏色的外科手術(shù)螺釘，可以感知及報(bào)告周邊環(huán)境的硬件如螺母、螺栓等，或者可以重新塑形的家用物品等。

    斯坦福打造全世界最細(xì)的納米電線

    近日，來(lái)自斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用金剛烷立體結(jié)構(gòu)的新方法制備了全世界最細(xì)的納米電線，這種電線僅三個(gè)原子寬，未來(lái)可以應(yīng)用于制作超微導(dǎo)電纖維、光電元件、接近無(wú)損的超導(dǎo)材料。 團(tuán)隊(duì)科學(xué)家通過(guò)對(duì)籠狀金剛烷立體結(jié)構(gòu)的拆解重組，在其中添加了一個(gè)硫原子，這樣銅離子就與含硫金剛烷類化合物結(jié)合，形成這種納米電線的基本單元。

    斯坦福大學(xué)畢業(yè)生Fei Hua Li表示，“這很像樂(lè)高積木，由于分子形狀和結(jié)構(gòu)，其自動(dòng)以恰當(dāng)?shù)姆绞狡唇樱~原子和硫原子位于中間，成了導(dǎo)線的導(dǎo)體部分，金剛烷類結(jié)構(gòu)處于外周，為絕緣外層”

    由于這種納米電線在平面和立體結(jié)構(gòu)上都與傳統(tǒng)電線不同，能夠解決傳統(tǒng)電線無(wú)法解決的量子尺寸效應(yīng)對(duì)電流的限制。這就讓這種新型納米電線在未來(lái)?yè)碛蟹浅９饷鞯膽?yīng)用前景。

    美國(guó)發(fā)明“金剛狼材料” 可在24小時(shí)內(nèi)自動(dòng)修復(fù)

    美國(guó)加州大學(xué)河濱分校的研究人員受“金剛狼”的啟發(fā)，研發(fā)出一種透明、可延展、自愈合的導(dǎo)電材料，24小時(shí)之內(nèi)可自動(dòng)修復(fù)破損結(jié)構(gòu)。這種材料未來(lái)有望用于驅(qū)動(dòng)人造肌肉，也可用于提高電池、電子設(shè)備和機(jī)器人等領(lǐng)域。

    這種材料基于“離子偶極交互”的機(jī)制，電氣化學(xué)狀態(tài)下，使帶電離子和極性分子處于高穩(wěn)定。設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，該材料擁有諸多潛在應(yīng)用，例如：電動(dòng)汽車電池延壽、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域增強(qiáng)生物傳感器等。

    項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、加州大學(xué)河濱分校兼職助理教授王超（音譯）說(shuō)，研制具有這些性能的新材料是多年以來(lái)科學(xué)家夢(mèng)寐以求的，目前我們剛開(kāi)始探索這一領(lǐng)域。受傷口自愈性能的啟發(fā)，我們研發(fā)了一種可以修復(fù)破損的自愈合材料。

    這項(xiàng)研究創(chuàng)造性地將自愈合材料技術(shù)與離子導(dǎo)體結(jié)合在一起，論文共同作者、科羅拉多大學(xué)助理教授克里斯托夫·凱普林格此前研制了一種透明材料，能夠延伸和導(dǎo)電，但缺乏自動(dòng)愈合能力。其技術(shù)困難在于共價(jià)鍵在電氣化學(xué)狀態(tài)下無(wú)法穩(wěn)定和逆轉(zhuǎn)，正常情況下，自愈合材料使用非共價(jià)鍵，但這將產(chǎn)生一個(gè)新問(wèn)題，即這些非共價(jià)鍵受電刺激的影響，從而導(dǎo)致材料性能出現(xiàn)下降。

    目前，王超通過(guò)使用“離子偶極交互”機(jī)制解決這一問(wèn)題，在電氣化學(xué)狀況下，他們使用帶電離子和極性分子處于高穩(wěn)定，再將可移動(dòng)、高離子濃度鹽與極面可延伸聚合物結(jié)合在一起，最終形成令人滿意的結(jié)果。

    該材料具有良好的延展性，可延伸50倍，被切斷后在室溫下24小時(shí)之內(nèi)可以完全自愈恢復(fù)。研究人員在測(cè)試這種材料時(shí)發(fā)現(xiàn)它可用于制造人造肌肉，在電信號(hào)刺激下像人類肌肉一樣移動(dòng)。研究人員希望這種材料將提高一些重要設(shè)備的性能，如電池、電子設(shè)備和機(jī)器人等。

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責(zé)任編輯：王元

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