2018年11月19日
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南大研发出新型“三明治”结构电子元件:可耐340℃高温

中新网南京2月7日电 (记者 申冉 通讯员 齐琦)手机因高温自动关机,电脑因散热不及时自动切断电源……7日,记者从南京大学获悉,该校科研团队最新研发的不怕热“三明治”结构电子元件将有效解决大部分电子产品不耐高温的问题。据悉,该团队的研究成果近日已在《自然·电子学》(NatureElectronics)杂志上发表。

  据该科研团队的负责人、南京大学教授缪峰介绍,目前,在人们使用的手机和电脑等电子产品中,有着大量用于运算和储存的电子元件,由于受制于125℃的工作温度极限,一旦超过这个温度大部分元件都会出现计算结果出错和数据丢失的状况。“也正是因此,电子工程师们不得不在手机和电脑里设置一个高温保护机制:一旦温度过高就自动切断电源。比如很多人在使用手机或者电脑玩游戏时,内部电子元件的高负荷运转会导致其温度迅速升高,最终引发高温保护,自动关机。”

  “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高精尖领域中,电子元件需要面临更加极端的温度环境,往往被要求能够在300℃以上的高温下稳定工作。”缪峰告诉记者,传统电子元件基本不可能在如此高温下稳定工作,“目前解决这个问题的主要办法,是通过冷却系统来为电子元件降温,这样尽管能够保证电子元件的正常工作,但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。因此,科学家和工程师们多年来一直都在努力地研究‘不怕热’的电子元件。”

缪峰在实验室对研究仪器进行检测。 申冉 摄

  而缪峰领导的科研团队,此次研发出来的“不怕热”的电子元件正是基于一种能耐热的新型材料,最高能够在340℃的温度下保持稳定工作。

  据缪峰介绍,该团队研究的这类电子元件叫做忆阻器(记忆电阻),顾名思义,它是一种基于“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。由于拥有超小的尺寸,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,忆阻器被业内视为传统运算和存储元件的潜在代替者和可应用在未来人工智能(神经形态计算)技术的重要候选者。

  此次该团队创新性地选择了两种二维原子晶体材料:硫氧化钼(氧化二硫化钼)和石墨烯分别作为忆阻器的介质层和电极材料,制成“三明治”结构的范德华异质结。“目前,在工业领域,二硫化钼和石墨烯是两种较为常见的固体润滑材料,防止摩擦过度。”据缪峰介绍,选择这两种材料进行尝试正是看中了它们能够在摩擦产生高热的环境下稳定工作的特性。

南京大学教授缪峰向记者介绍这种新结构电子元件的抗热原理。 申冉 摄

  “经过测试,我们发现这种基于全二维材料的异质结能够实现媲美传统忆阻器的稳定开关:可擦写次数超过千万次,擦写速度小于100纳秒,并且拥有很好的非挥发性。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。”缪峰告诉记者。

  据介绍,该团队同时还和南京大学现代工程与应用科学学院的王鹏教授课题组合作,利用透射电子显微镜对这一新型“三明治”结构材料进行了深入研究,发现该忆阻器的耐热性来源于硫氧化钼晶体超高的热稳定性,并进一步揭示了这类器件中基于氧离子迁移的工作机制。研究结果显示,这类忆阻器在擦写过程中一直被具有超高热稳定性的单晶石墨烯和层状硫氧化钼很好地保护着,保证了高温擦写过程中的稳定性。

  “这个研究工作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;同时也令我们认识到,二维材料异质结构可以结合不同二维材料的优异性质,给学界和业界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。”

  缪峰表示,目前这项科研成果还仅停留在实验室层面,但已分别在中国和美国申请专利,相信有希望较快进入应用阶段,“可以想象,这种元件如果应用于手机和电脑等电子产品,以及极端环境中作业的电子设备,都可很好地解决机器抗热的问题,令工业器械很大程度上摆脱对散热冷却系统的依赖。”(完)