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詳解憶阻器石墨烯:未來的電子器件

OFweek電子工程網 網訊

介紹的兩種未來的電子器件就是“憶阻器和石墨烯”。近年來随着各國電子界對兩者研究的深入,樣品的出現,證實了理論的可行,引起了業内高度的重視。對于它們的功能和未來的作用預測頗多。有的認為猶如晶體管替代電子管那樣将會出現一場“革命”。如今,國内很多學術及研究單位都已投入研究開發。本文僅根據收集到的一些資料對它們的原理和未來做一些介紹。

一、憶阻器(Memristor)

1、原理和現狀

憶阻器是一種通過控制電流的變化可改變其阻值,有記憶功能的非線性電阻。美國加州大學伯克利分校的華人科學家蔡少棠于1971年,從理論上預言存在除電阻器、電容器和電感器外的第四種基本電路元件——憶阻器。

他當時發表的論文《憶阻器:下落不明的電路元件》提供了憶阻器的原始理論架構,推測憶阻器有天然的記憶能力,即使電力中斷亦然。簡單說,憶阻器是一種有記憶功能的非線性電阻。通過控制電流的變化可改變其阻值,如果把高阻值定義為“1”,低阻值定義為“0”,則這種電阻就可以實現存儲數據的功能。

蔡教授原先的想法是:憶阻器的電阻取決于多少電荷經過了這個器件。也就是說,讓電荷以一個方向流過,電阻會增加;如果讓電荷反向流動,電阻就會減小。簡單地說,這種器件在任一時刻的電阻值是時間的函數,能記住多少電荷向前或向後經過了它。實質上,就是它的電阻會随着通過的電流量而改變,而且一旦電流停止,它的電阻仍然會停留在之前的值,直到接受到反向的電流它才會被推回去。

這一簡單想法如果被證實,将對計算及計算機科學産生深遠的影響。

2008年美國惠普公司實驗室研究人員在英國《自然》雜志上發表論文宣稱,他們已經證實了電路世界中的第四種基本元件——記憶電阻器,簡稱憶阻器的存在,并成功設計并制造出一個能工作的憶阻器實物模型。他們像制作三明治一樣,将一層納米級的二氧化钛半導體薄膜夾在由鉑制成的兩個金屬薄片之間。憶阻器的組成部分隻有5納米大小,也就是說,僅相當于人一根頭發絲的萬分之一。

華裔科學家37年前理論預測成真。

此後學術界提出了“憶阻器有可能代替晶體管”這種說法。但更多的還是研究它的自動記憶能力和狀态轉換特性、人工智能和模拟存儲。

科學家指出,隻有在納米尺度上,憶阻器的工作狀态才可以被察覺到。他們希望這種新元件能夠給計算機的制造和運行方式帶來革命性變革。科學家說,用憶阻電路制造出的計算機将能“記憶”先前處理的事情,并在斷電後“凍結”這種“記憶”。這将使計算機可以反複立即開關,因為所有組件都不必經過“導入”過程就能即刻回複到最近的結束狀态。讓科學家能夠用一種不同于編寫計算機程序的方式來模拟大腦,或模拟大腦的某種功能,構造出基于憶阻器的仿生類大腦功能的硬件。這樣的計算機可以做許多數字式計算機不太擅長的事情,例如圖形識别,甚至是學習。比如,這樣的硬件用于臉部識别技術,可以比數字式計算機上運行程序快幾千到幾百萬倍。

研究人員預測,這種技術産品5年後才可能投入商業應用。

2、憶阻器在中國

國内學術界在正式場合引介憶阻器大約在2010年。在該年的中國電子學會第16屆電子元件學術年會上,清華大學材料系教授周濟介紹了憶阻器。

目前國内研究仍處于“自由探索”階段,不僅力量分散,而且主要集中于理論層面和計算機仿真。受研究條件所限,真正物理實現尚不多見。據了解,華中科技大學曆經四年研究,已經能夠制備出納米級性能穩定的憶阻器原型器件。近期,由該校牽頭,聯合清華、北大、國防科大、中科院微電子所等單位已在聯合申報一個“973”計劃項目,一旦獲批,将拉開我國憶阻器研發“協同作戰”的序幕。

二、石墨烯(Graphene)

1、原理和現狀

說石墨烯是電子器件還不如說是電子材料更為确切。

石墨烯是由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是一種由碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,隻有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設性的結構,無法單獨穩定存在,直至2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實驗室從石墨中分離出石墨烯而證實它可以單獨存在,兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。并且石墨烯在自然界也有産出,2014年在中國由一顆碳質球粒隕石中,發現了碳晶體納米石墨烯。中國發現的這顆碳原子“石墨烯”使人們得以看見石墨烯的成長基理,意義重大。

人們發現,石墨烯具有非比尋常的優良特性。它是人類已知強度最高的物質,比鑽石還堅硬,比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍,根據石墨烯強度超大,超薄的特性,石墨烯可被廣泛應用于各領域,比如超薄超輕型飛機材料,超輕防彈衣等;它導熱系數高達5300 W/m·K,高于碳納米管和金剛石;石墨烯具有非同尋常的導電性能、其電阻率極低,比銅或銀更低,為世上電阻率最小的材料,耗能低;石墨烯具有極好的透光性,幾乎是完全透明,它又是良好的導體,也适合用來制造透明觸控屏幕、光闆、甚至是太陽能電池。

在電子領域石墨烯有其更廣闊的天地。

石墨烯是零帶隙半導體,具備獨特的載流子特性和優異的電學質量。石墨烯有可能會成為矽的替代品。由于它的電子遷移的速度極快,因此被期待可用來發展更薄、更小、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管,例如制造超微型晶體管。室溫下石墨烯具有10倍于商用矽片的高載流子遷移率,并且受溫度和摻雜效應的影響很小,較大的費米速度和低接觸電阻則有助于進一步減小器件開關時間。超高頻率的操作響應特性好是石墨烯基電子器件的顯着優勢。此外,石墨烯減小到納米尺度同樣保持很好的穩定性和電學性能,使探索單電子器件成為可能。

又如用石墨烯電子器件生産未來的超級計算機可以獲得更高的速度。石墨烯由于其導電性能好、損耗小特性,尤其适合于高頻電路。這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。

2010年,清華大學首次将石墨烯覆蓋在傳統的單晶矽材料上,研究發現其具有優異的光電轉換性能。光電轉換效率可以達到10%以上。

2012年物理學家組織網報道,英國曼徹斯特大學的科研人員設計出一種新型石墨烯晶體管,在其中電子可借助隧穿和熱離子效應,同時從上方和下方穿越障礙,并在室溫下展現出高達106的開關頻率。

2011年6月,IBM的研究人員宣布,他們已經成功地創造了第一個石墨烯為基礎的集成電路——寬帶無線混頻器。電路處理頻率高達10 GHz,溫度高達127攝氏度時其性能不變。

石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾,有望在現代電子科技領域引發一輪革命。

2、石墨烯在中國

中科院重慶綠色智能技術研究院(簡稱中科院重慶研究院)已經成功制備出國内首片15英寸的單層石墨烯并成功将其完整地轉移到柔性PET襯底上和其他基底表面, 并且通過進一步應用,還制備出了7英寸的石墨烯觸摸屏。這樣的大尺寸,達到了國内最高水平,它或将為我們的手機、電腦等電子産品帶來一場革命。

2013年3月,浙江大學高分子系高超教授的課題組制備出了一種超輕氣凝膠——碳海綿:碳納米管和石墨烯共同支撐起無數個孔隙的三維多孔材料。它刷新了世界上最輕材料的紀錄,每立方厘米0.16毫克,僅是空氣密度的1/6。“碳海綿”具備超高的吸油能力。吸收量是自身質量250倍左右,最高可達900倍。

金屬研究所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室設計并制備出可快速充放電的柔性锂離子電池。可在6分鐘内完成充電(達到初始容量的90%),在100次循環之後容量保持率在96%。

中國科學技術大學教授吳恒安、博士王奉超與諾貝爾物理學獎得主、英國曼徹斯特大學安德烈·海姆教授課題組在石墨烯材料方面合作研究,最新發現表明,,氧化石墨烯薄膜具有“快速精密篩選離子”的性能,有望實現海水的迅速淡化與淨化。

中國石墨烯标準化委員會正式發布中國石墨烯第1号标準《石墨烯材料的名詞術語與定義》,并于2014年1月1日起實施。該标準的主要起草單位為中科院金屬所、東南大學、泰州石墨烯研究及檢測平台、泰州巨納新能源有限公司及中科院半導體所。

中國已然成為全球石墨烯的出版物和專利的領先者,其碳納米管制造可能占到了全球的50%。中國已經在碳納米管和石墨烯的研究和制造中處于全球領先地位。

三、展望

科學和技術的發展總是循着一條由低級到高級、由簡單到精密、由新事物代替舊事物的規律。近百年電子技術的發展證實了這條規律。研究者預言,新電子器件憶阻器和石墨烯的出現很有可能替代半導體器件,隻是現在斷言為時過早,因為研究還在進行中。電力電子發展也是如此:從磁放大器到引燃管,後又進入矽整流、可控矽時代,如今又出現IGBT/IGCT的繁榮。此時,寬禁帶大功率器件正進入研發的高潮,來勢洶湧。新來者的優點明顯優于老産品,但有一條,老産品還有它的市場,新來者不可能全替代,這也是“規律”。舉例來說,磁放大器和引燃管至今還有它的用武之地。

憶阻器和石墨烯也離不開這條規律。華中科技大學微電子學系教授、長江學者缪向水表示,憶阻器的确具有給微電子領域帶來強大變革的能力,但要徹底取代晶體管,目前看來還不太現實。“還不太現實”的一個重要原因,在于憶阻器的實際應用還有許多技術問題有待研究。

越來越多科學家認為,最遲至2020年,石墨烯被認為是替代矽最有前途的材料,但究竟哪種元器件堪當此大任,科學家仍在尋找。

要知道人們對新事物總是抱有極大的熱情,但新事物不是一個晚上就能成熟。新事物出現的初期,總是存在不少問題和不足。例如,目前石墨烯還僅停留于實驗室階段,而用石墨烯制造的傳感器,也表現出了照片響應差、噪音多等問題。因此諾基亞或許将在最近幾年不斷提升和研發這種石墨烯光電傳感器的性能。

新事物的出現到成熟是需要人們不斷努力才能得到的。需要各方面的幫助和支持。我們相信我國的憶阻器和石墨烯的開發在不遠的将來定會取得成功。

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