2018年2月22日
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南大教授研发出新型结构电子元件:可耐340℃高温

电脑突然蓝屏,手机强制关机,汽车需要熄火……明明电量充足为什么会出现这些让人猝手不及的状况?也许因为它们都太热了!手机、电脑、汽车控制系统等电子设备里含有大量负责运算和存储的电子元件,一般而言,这些器件的工作温度均不能超过125℃,否则就会导致计算结果出错或者数据丢失。但是,当手机和电脑程序运行时间过长,电子元件的高负荷运转不可避免会导致其温度迅速升高。为了避免这种情况发生,电子工程师们都会在电子设备里放置一个高温保护机制,一旦温度过高就自动切断电源。那么有没有“不怕热”的电子元件呢?近日,由南京大学缪峰教授带领的研究团队研发出了一种能够摆脱对冷却系统依赖的电子元件,并以《基于层状二维材料的高鲁棒性忆阻器》(Robust memristors based on layered two-dimensional materials)为题在《自然·电子学》(Nature Electronics)杂志上发表了他们的这一研究成果。

“很多时候因为这些电子产品在工作时温度过高,引发了高温保护。我们研究团队研发的这类名为忆阻器的新型电子元件,能够在高温下稳定工作并且保持良好的擦写性能。” 在实验室,缪峰教授展示了这一片小小的纳米级别电子元件-忆阻器,从外观方面它与一般的电子芯片类似,但在光学显微镜下,可以看出结构比较独特。“它的结构类似于‘三明治’,只不过是原子尺度的三明治,肉眼看不清。这样的‘三明治’结构对材料的精度、平整性要求极高,且不能有水、空气等杂质的掺入”,缪峰教授介绍道。顾名思义,忆阻器是一种基于“记忆”外加电压或电流历史而动态改变其内部电阻状态的电阻开关,是一种运算和存储元件。团队研制的这类忆阻器由石墨烯和氧化之后的硫化钼这两种材料构成。上下两层碳原子层即充当电极的石墨烯,中间是充当电介质的硫氧化钼,忆阻器的耐热性就是来源于这两种二维纳米材料超高的热稳定性。“手机电脑等器件怕热,是因为材料和结构上怕热。有两种非常不怕热的材料,包括石墨烯和硫化钼,热稳定性非常好。石墨烯做电极,氧化之后的硫化钼做电介质,形成一个三明治的结构。该结构的忆阻器能够在高达340℃的温度下稳定工作并且保持良好的擦写性能。”

实际上,电子元件‘怕热’的问题不仅仅出现在电脑手机这些日常电子产品中。在航天航空、军事、地质勘探和石油天然气钻井等行业中,电子元件需要面临更加极端的温度环境,它们往往被要求能够在300℃以上的高温下稳定工作。由于传统的电子元件都无法在这么高的温度下工作,工程师们往往依赖于冷却系统来为他们进行降温。这样虽然能够保证电子元件的正常工作,额外配置的冷却系统会很大程度上增加成本和能耗,降低可靠性。由缪峰教授领衔的团队历时两年研发的“不怕热”的电子元件有望解决这一难题。由于具备超小的尺寸,极快的擦写速度,超高的擦写寿命,多阻态开关特性和良好的CMOS兼容性等优势,忆阻器被业内视为未来存储技术和未来人工智能(神经形态计算)硬件技术的重要候选者。

“要想得到预期中的广泛应用,我们还需要实现二维材料大面积的集成和从单个器件到系统层面的突破”,缪峰教授表示,这项研究已经在申请国内外专利,它不仅展示了二维层状材料异质结构在忆阻器领域中的巨大应用前景,对未来极端环境下电子元件的设计与研究有着重要的指导意义;同时,因为二维材料异质结构可以结合不同二维材料的优异性质,也给人们提供了一种解决其它领域电子器件技术挑战的可能的通用途径。

80后缪峰教授本科毕业于南京大学物理系,他于2009年从美国加州大学河滨分校博士毕业,同年获得最佳博士毕业生奖。之后他在美国硅谷的工业界顶尖实验室-惠普实验室工作。2012年入选国家青年千人计划后全职回南京大学工作,目前已是南京大学物理学院和南京微结构国家实验室(筹)教授、博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者,科技部国家重大科学研究计划青年项目首席科学家。他在二维材料的电子输运,以及它们在信息器件领域的应用基础等研究上取得了一系列创新成果,多项工作在国际同行中产生了重要影响。“首先是因为我们一直紧盯着领域里一些最重要的科学问题,其次是确保了课题进展过程中的高效执行”,缪峰教授表示,二维材料研究领域竞争非常激烈,很多课题都是在和全世界一流的课题组竞争,研究成果也都具有很强的时效性。“所以在科研道路上,要非常努力和专注,确保非常及时地把重要结果报道出来,但同时要保证结果的高度严谨性,这并不是容易做到的事情。”(新闻中心 王甜 齐琦)