國桑迪亞國家實驗室研究出超寬禁帶半導體材料

    將有助于縮小功率轉換系統尺寸

    近日，美國桑迪亞國家實驗室研究人員展示了先進半導體材料制成的晶體管和二極管，性能遠優于硅材料。

    這項突破朝著實現更緊湊、更高效的電力電子更近了一步，將有助于提升消費電子到電網等等相關設備。功率電子通過轉換電壓、電流和頻率，將能量從電源轉換至負載或用戶端，對于電子系統非常重要。

    超寬禁帶（UWBG）半導體材料研究

    桑迪亞“超寬禁帶（UWBG）半導體材料項目”研發實驗室工程師Kaplar表示：“我們的研究目標就是壓縮電源和電源轉換系統”。研發的方法是生長有較少缺陷的材料，并制造出各種器件，借此研究這些新材料的特性，發現特性顯著優于硅材料。

    該項目回答了材料的行為、如何利用等問題，為新型超禁帶的研究奠定了科學基礎。同時，該項目能夠幫助桑迪亞拓展研究工作，利用這些更好的半導體器件研發更緊湊的功率轉換系統。

    帶隙是材料的基本屬性，根據帶隙值有助于確定材料的導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，寬禁帶材料已經開始對功率轉換系統產生影響。

    演示最寬禁帶晶體管

    桑迪亞實驗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，研究結果發表在《應用物理快報》。此外，還在《電子快報》發表兩篇文章，分別分析了GaN二極管和AlGaN二極管的特性。

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

    桑迪亞等地的研究人員已經研究SiC、GaN等寬禁帶近二十年。近年來，桑迪亞看中了AlGaN等下一代超寬帶半導體材料。實際上，桑迪亞創造了“超寬禁帶”一詞，引起了整個研究界的關注。

    縮小轉換系統尺寸

    半導體材料的特征是效率和有效性，所以可以假設，如果一種材料比另一種好10倍，那么相應器件供電就可以少十倍。其實并沒有這么簡單。Kaplar表示“這取決于功率轉換器中的其它組件，包括磁性元件、電容等。我們已經開始研究如何縮小功率轉換系統。”

    Kaplar及桑迪亞的其他領域專家共同研究半導體和功率轉換系統中其它元件的關系，“如果系統中別的元器件限制了半導體器件，那么就很難充分利用半導體器件的潛力實現功率轉換系統尺寸縮小。”

    在分配電網能量的應用中，越好的半導體材料耐受的絕對電壓越高。目前的解決辦法是通過串聯堆疊器件來達到高的電壓。而由于超寬禁帶材料耐壓比傳統材料更高，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境，如核武器或衛星應用。

    美科學家研制出具有嵌入式、預設功能的絲蛋白材料

    根據美國《國家科學院院刊》近期發表的一篇論文，塔夫茨大學的工程師研制出一種由絲蛋白質制成的新固體形式，可以預先設置生物、化學或光學功能，譬如隨壓力改變顏色、對光做出反應的機械部件。

    特點

    絲具有獨特的晶體結構，是自然界中韌性最強的材料之一。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，又能保護其他材料。研究人員根據蛋白質自組裝特性，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、預設功能的各種納米級到微米級固體形式。譬如，研究人員制成了一種可以隨機械極限臨近而改變顏色的手術針，一種可以根據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遇。本項研究的潛在應用包括：可以植入生長因子或酶的新型整形外科機械部件，隨著接近轉矩限制而改變顏色的外科手術螺釘，可以感知及報告周邊環境的硬件如螺母、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的納米電線

    近日，來自斯坦福大學的物理學家團隊利用金剛烷立體結構的新方法制備了全世界最細的納米電線，這種電線僅三個原子寬，未來可以應用于制作超微導電纖維、光電元件、接近無損的超導材料。 團隊科學家通過對籠狀金剛烷立體結構的拆解重組，在其中添加了一個硫原子，這樣銅離子就與含硫金剛烷類化合物結合，形成這種納米電線的基本單元。

    斯坦福大學畢業生Fei Hua Li表示，“這很像樂高積木，由于分子形狀和結構，其自動以恰當的方式拼接，銅原子和硫原子位于中間，成了導線的導體部分，金剛烷類結構處于外周，為絕緣外層”

    由于這種納米電線在平面和立體結構上都與傳統電線不同，能夠解決傳統電線無法解決的量子尺寸效應對電流的限制。這就讓這種新型納米電線在未來擁有非常光明的應用前景。

    美國發明“金剛狼材料” 可在24小時內自動修復

    美國加州大學河濱分校的研究人員受“金剛狼”的啟發，研發出一種透明、可延展、自愈合的導電材料，24小時之內可自動修復破損結構。這種材料未來有望用于驅動人造肌肉，也可用于提高電池、電子設備和機器人等領域。

    這種材料基于“離子偶極交互”的機制，電氣化學狀態下，使帶電離子和極性分子處于高穩定。設計人員認為，該材料擁有諸多潛在應用，例如：電動汽車電池延壽、醫學領域增強生物傳感器等。

    項目負責人、加州大學河濱分校兼職助理教授王超（音譯）說，研制具有這些性能的新材料是多年以來科學家夢寐以求的，目前我們剛開始探索這一領域。受傷口自愈性能的啟發，我們研發了一種可以修復破損的自愈合材料。

    這項研究創造性地將自愈合材料技術與離子導體結合在一起，論文共同作者、科羅拉多大學助理教授克里斯托夫·凱普林格此前研制了一種透明材料，能夠延伸和導電，但缺乏自動愈合能力。其技術困難在于共價鍵在電氣化學狀態下無法穩定和逆轉，正常情況下，自愈合材料使用非共價鍵，但這將產生一個新問題，即這些非共價鍵受電刺激的影響，從而導致材料性能出現下降。

    目前，王超通過使用“離子偶極交互”機制解決這一問題，在電氣化學狀況下，他們使用帶電離子和極性分子處于高穩定，再將可移動、高離子濃度鹽與極面可延伸聚合物結合在一起，最終形成令人滿意的結果。

    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小時之內可以完全自愈恢復。研究人員在測試這種材料時發現它可用于制造人造肌肉，在電信號刺激下像人類肌肉一樣移動。研究人員希望這種材料將提高一些重要設備的性能，如電池、電子設備和機器人等。

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責任編輯：王元

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