2018年12月12日
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340℃高温烤不熟“三明治”,南京大学教授研发出“不怕热”的电子元件

一种“不怕热”电子元件的研究,最近“火”了。由南大教授新研发的被称为“三明治”结构的新材料电子元件,可耐340℃的高温。

手机因为高速运行,或者被太阳直射,电脑由于软件程序太大等,都会发生温度过高,导致机器自动断电。主持此项研究的南京大学物理学院教授缪峰介绍说,他们这项研究致力于有效地实现电子元件“不怕热”“耐高温”。据悉,缪峰研究团队最近在电子学领域顶级期刊《自然·电子学》(Nature Electronics)杂志上发表了他们的工作成果。

世界性难题,电子元件“怕热”

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据介绍,目前使用的手机和电脑等电子产品中,大量用于运算和储存的电子元件受制于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。缪峰教授介绍说:“也正因为如此,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。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。”

电子元件“怕热”是一个长期困扰电子工程师们的世界性难题。这个问题不仅仅出现在手机电脑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。缪峰介绍说,传统电子元件基本不太可能满足这个要求,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。“譬如为了安全性考虑,现在飞机一般会有两个引擎,每一个引擎又有两套电子控制系统,其中很重要的一部分就是能够保证电子元件正常工作的冷却系统。这个额外配置的冷却系统导致成本和能耗增加,并降低可靠性。如果能够解决这一难题,实现电子元件在极端温度环境下的正常运行,引擎运行的成本、能耗降低,安全性、稳定性更高。”

这些年来科学家和工程师们一直都在努力研究“不怕热”的电子元件。缪峰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。

创新性突破,两年数百次实验

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在这项研究中,缪峰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。选择这两种材料进行尝试正是看中了它们作为生活中常用的固体润滑剂,能够在摩擦产生高热的环境下稳定工作的特性。

“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。”缪峰介绍说。

对于这类纳米级的晶体材料和器件结构,最大的挑战来自两个方面。第一,中间部分最核心材料的最优化选择。缪峰说:“我们选择了二硫化钼,需要对它进行一定程度的氧化,氧化程度的多少,如何控制氧化,如何让其性能达到最优,这是需要摸索的,多不行,少也不行,最后经过我们的测试,发现了最优的氧化参数。”第二,这个“三明治”结构界面的最佳控制。“界面中有没有杂质,有没有空气、水等,这些都会影响器件性能。最后,在经历了两年数百次的实验后,我们实现了对具有原子级精度的界面的有效控制。”

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据悉,缪峰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。

多年研究积累,期待项目尽快投入应用

作为国家青年千人计划入选者,缪峰2012年归国后即回到母校南京大学物理学院成立了自己的课题组,主攻固体电子学和凝聚态物理。之前,他在美国加州大学河滨分校完成博士学位,并在硅谷惠普实验室工作三年。回国近六年来,这位80后博导带领他的近20人团队,重点研究以石墨烯为代表的二维材料,聚焦相关领域的重大难题开展攻关,在二维材料新型电子和光电元件的应用基础方面做了很多工作。

“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。”

缪峰在今天接受本报记者采访时表示,目前这项科研成果还仅停留在实验室层面,已分别在中国和美国申请专利,相信有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,以及航天航空、地质勘探等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。”