材料領域八大關注

第三代半導體材料是以寬禁帶為特點的一類半導體材料,包括碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)等代表性材料。這一特點使得第三代半導體材料的同第一代(Si)、第二代(GaAs、InP)半導體材料相比,具備更高的擊穿電場、熱導率、電子飽和速率及更好的抗輻射能力。宏觀表現出來,就是在高溫、高頻、高輻射劑量及大功率等傳統(tǒng)半導體材料(尤其是SI)難以勝任的場合具有顯著優(yōu)勢。

以最典型的SiC材料為例。SiC能夠帶來能夠更高的光電轉換效率,用于LED照明可降低40%的成本,應用于太陽能發(fā)電則可降低25%以上的轉換損失。SiC還能夠減少功率元件的電力損失,應用于超高壓直流輸電和智能電網領域可降低60%電力損失,并提高40%的供電效率;應用在家電、高鐵、新能源汽車、工業(yè)電機等領域也可實現20~50%不等的節(jié)能效率。效率的提高也會帶來器件體積的減少,例如用于電腦適配器就可減少80%的體積。

2014年起,美國就成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導體產業(yè)聯盟,目前已經獲得了美國各級政府的1.4億美元的投資。日本政府則更早認識到了SiC的重大意義,將其視為未來節(jié)能戰(zhàn)略的重要技術,并在2013年將其納入了“首相戰(zhàn)略”。

石墨烯是一種二維碳材料,具有超薄、柔性、高強度、導電導熱性好、透光率好等獨特性能,被認為有望在多個科研和產業(yè)領域帶來革命性進展。目前主要關注的潛在應用方向包括:新一代集成電路的基礎材料、新一代觸摸屏的透光導電膜、高效導熱膜、改善電池性能的添加劑等。石墨烯產業(yè)的發(fā)展也獲得了全球各主要國家的重點關注。我國石墨烯制造相關的市場活動和產業(yè)計劃呈遍地開花之勢,目前已經有企業(yè)發(fā)展到了噸級生產能力。重慶已經生產了首批采用了石墨烯觸屏、電池和導熱膜的手機。石墨烯超級電池在新能源汽車的試驗中也實現了充電8分鐘續(xù)航1000公里的顛覆性表現。石墨烯場效應晶體管在實驗室中也顯示出了高達155G的超高主頻。

當然,目前石墨烯的發(fā)展還存在許多關鍵性的障礙,例如批量生產的石墨烯質量較低、缺乏帶隙結構、環(huán)境風險等等。但在資本力量已經大舉介入的情況下,可以預見2016年石墨烯產業(yè)會迎來大的發(fā)展。

康寧公司計劃中的柔性玻璃Willow除了更薄、更耐磨、更通透之外,還具有一個突出的有點:柔性。在需要的時候甚至可以將玻璃卷起來,甚至其生產過程也借鑒了造紙工廠的靈感。這一材料可以用于電子設備的曲面屏幕,以及太陽能電池和照明等場合。Willow原定于2013年面世,但是由于技術和工藝等方面的原因,最終的終端產品可能會在2016年才能出現。

液態(tài)金屬可以通過“吞噬”少量物質而獲得能量,并具備無需外接電力的自主高速運動能力。在不同的環(huán)境中,液態(tài)自驅動金屬能夠體現出拐彎、變形、分裂、融合、互動等復雜的行為,甚至給人以“金屬生物”之感。這一性能雖然距離電影中的液態(tài)機器人仍然遙遠,但已經使智能馬達、微型機器人、高效泵送機構、柔性運動機構等看到了可能,有望為機械領域帶來諸多變革性進步。

石墨烯作為第一種宏觀二維材料,顯示出了諸多神奇性質而受到了普遍關注,尤其是在電子工業(yè)中被視為具有顛覆性潛力的新材料。但石墨烯是電的良導體,缺乏能隙結構的先天缺陷目前還難以解決,因此距離集成電路方面的應用仍然非常遙遠。

針對這一問題,一些科學家嘗試尋找一種既具有二維材料的特性,又具有能隙結構的新材料。黑磷則被寄予了厚望。普通的白磷經過精確的熱處理具備了層狀結構,再經過一系列處理后即可分離為單層的二維材料。黑磷具有可調半導體的特性,能夠用于代替目前的許多半導體元件,例如晶體管、傳感器、太陽能電池、電路開關等。此外黑磷對光線的分散效果也超過石墨烯,因此有望率先應用于光電領域。

壓電材料受到外力作用時,能將機械能轉變成電能。氧化鋅納米棒受力彎曲時就會產生微弱的電壓。將兩塊材料的摩擦面做成齊整密布、具有壓電效應的納米結構。這樣兩塊材料來回摩擦,會產生群體壓電效應,造成群體納米電源疊加。通過將兩塊材料的納米結構插入對方的縫隙的摩擦方式則可以避免表面的磨損。這樣的摩擦式納米電源已經可以為體積很小的微-納電子器件供電,可使這樣的器件結構變簡單,生產工藝簡化,制造成本下降,使用壽命延長,利于大規(guī)模工業(yè)化生產與實際應用。很多低頻率的低頻機械可以用類似的方法轉化為電能。目前的一些研究成果已經可以實現超過300伏的輸出電壓。