9778818威尼斯官网:或续写Moore定律对晶体管的预

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本周焦点美国“龙”飞船命殒长空美国太空探索技术公司6月28日第七次执行国际空间站货运任务,但其运载“龙”飞船的“猎鹰9”火箭在发射后不久即在空中爆炸,船内物资毁于一旦,国际空间站货运任务一年内再次遭遇重大挫折。这是太空探索技术公司执行航天货运任务中的首次失败,事件中损失了大量研究设备,对国际空间站的运转来说也有重大影响。该公司本计划当天尝试让运载火箭的第一级垂直降落在海中一艘无人船上,因而此次发射尤为引人关注。本周明星液态氘:在高压下被挤成“金属”美国桑迪亚国家实验室和德国罗斯托大学的一个联合研究团队日前利用20兆高斯磁场的大型Z机器,将绝缘体变成导电体甚至超导体,成功地在高压下把液态氘挤成类金属。氘可用于热核反应,被称为“未来的天然燃料”,此次的结果是科学家更接近生成固体金属氢的最终目标。外媒精选光具有量子自旋霍尔效应据美国《科学》杂志上发表的一篇研究论文称,日本、澳大利亚和美国的研究人员理论证明,光有量子自旋霍尔效应。在均匀介质中,比如说空气中,光的自旋为零;但在两种媒介的“接口”处,比如在空气和黄金之间,光波的属性会产生巨大的变化,发生横向自旋。而这种自旋的方向锁定为光波的行进方向。因此,用正确的方式观察,就会看到量子自旋霍尔效应的拓扑成分。前沿探索“大撕裂”或为宇宙终极命运人们所知道的一切物质都起源于宇宙大爆炸。现在科学家得出结论,一切将以同样剧烈的方式终结:宇宙大撕裂。新的理论模型显示,随着宇宙不断扩张,从星系到行星再到原子在内的一切物质最终将在消失之前被撕碎。不过也没必要为此感到紧张,因为据预测一切将在220亿年以后发生。单原子被微波冷却到接近绝对零度英国萨塞克斯大学物理学家找到了一种方法,使用我们习以为常的微波辐射,将单个原子冷却到了绝对零度附近。最新方法意味着科学家们距离研制出运行速度更快的量子计算机更近了一步。而量子计算机有助于厘清和解决目前困扰我们的很多科学难题。新方法促光子多维度量子纠缠此前科学家发现光子通常会在量子属性的一个维度进行纠缠,也就是它们偏振的方向。而日前,美国加州大学洛杉矶分校的电气工程师发现了使光子发生多维度纠缠的新方法,这一方法可以使光子的数据传送量实现数倍提升,在量子云通信和分布式量子计算等方面都有很好的应用前景。本周争鸣机器人“蓄意”杀人?近日,一位男子在德国大众汽车公司的工厂新生产线上安装机器人时,被机器人抓住并压死。有媒体报道称“德国大众发生机器人攻击事件”,对此专家表示,目前机器人还不具备主动攻击人类的水平,人为操作失误的可能性更大。一周之“首”首次用拉伸二硫化钼晶体造出能隙可变半导体美国斯坦福大学一科研团队首次通过拉伸二硫化钼的晶体点阵,“扯”出能隙可以变化的半导体。这一研究成果将对传感器、太阳能等多领域带来广泛影响。就太阳能领域而言,由于这种人工晶体结构对更大范围的光谱都很敏感,因此具有用于制造更加高效的太阳能电池的潜力。“最”案现场全球最大太阳能飞机创三项纪录正在环球飞行的全球最大太阳能飞机“阳光动力2”号北京时间7月3日晚降落在美国夏威夷州首府檀香山的机场。该飞机在从日本名古屋飞往檀香山的118个小时不间断飞行中创造了三项世界纪录:最长时间太阳能飞机不间断飞行、最长时间单人驾机飞行和最远距离太阳能动力飞行。一周技术刷新微型量子点光谱仪问世7 月1日出版的英国《自然》杂志上描述了一个用195个不同的量子点做成的光谱仪,而这种光谱仪将比手机照相机镜头的图像传感器还要微型。这一系统兼具了高性能和简洁性,容易制造并有进一步小型化的可能,为制造更高性能的光谱仪铺平了道路,其未来应用包括太空探索、个性化医疗、微流控芯片实验室诊断平台等。多成像技术3D打印心脏更精确美国海伦·德沃斯儿童医院的先天性心脏病专家,首次将两种常见的成像技术——CT和3DTEE成功地结合在一起,打印出更精确的3D心脏模型。研究人员指出,这一概念论证研究也为把这些技术与第三种工具——磁共振成像结合开辟了道路。激光微爆技术把硅变成复杂新材料硅是制造计算机芯片的常见材料。澳大利亚国立大学和英国伦敦大学学院的研究人员合作,在硅上制造出激光诱导的微小爆炸,从而创造出多种奇特的新材料。研究人员认为,这一新技术有望为超导、高效太阳能电池和光传感器领域带来更简化的创新和制造工艺。200小时不间断制氢美国斯坦福大学研究人员发明了一种低成本水分离器,阴阳电极均采用同种催化剂氧化镍—铁,可一周七天每天24小时用水生产氢气和氧气,其连续工作200多小时是一个创世界纪录的性能,可望为交通和工业领域提供清洁、可再生的氢能源。智能系统能自行修复程序漏洞美国麻省理工学院的研究人员对外展示了一种能够自行修复程序漏洞的系统。这套名为CodePhage的系统,可在无需人工干预、不用访问应用程序源代码的情况下,从其他程序中寻找合适的代码,对存有高危漏洞的程序进行修复,直至问题解决为止。奇观轶闻摩擦起电开车就能发电内燃机因其较低的能量转换效率备受诟病,科学家们一直试图改善这种状况。中美科学家联合开发出一种能从汽车车轮与地面的摩擦中收获能量的纳米发电机,有望将此前白白浪费掉的能源回收。据称,该装置能将车辆的燃油效率提高至少10%。本篇文章来源于 中国科技网-科技日报 | 原文链接:

近年来,半导体行业总是笼罩在摩尔定律难以为继的阴霾之下。但北京大学物理学院研究员吕劲团队与杨金波、方哲宇团队最新研究表明,新型二维材料或将续写摩尔定律对晶体管的预言。他们在预测出“具有蜂窝状原子排布的碳原子掺杂氮化硼(BNC)杂化材料是一种全新二维材料”后,通过实验证实了这类材料存在能谷极化现象,并具有从紫外拓展到可见光、近红外以及远红外波段的可调能隙功能,相关研究近日发表在《纳米通讯》上,。

近年来,半导体行业总是笼罩在摩尔定律难以为继的阴霾之下。但北京大学物理学院研究员吕劲团队与杨金波、方哲宇团队最新研究表明,新型二维材料或将续写摩尔定律对晶体管的预言。他们在预测出“具有蜂窝状原子排布的碳原子掺杂氮化硼(BNC)杂化材料是一种全新二维材料”后,通过实验证实了这类材料存在能谷极化现象,并具有从紫外拓展到可见光、近红外以及远红外波段的可调能隙功能,相关研究近日发表在《纳米通讯》上,。

近年来,二维晶体材料因其优越的电气特性,成为半导体材料研究的新方向。继石墨烯、二硫化钼之后,本月初,在《自然·纳米技术》杂志上,复旦大学物理系张远波教授课题组发现了一种新型二维半导体材料——黑磷,并成功制备了相应的场效应晶体管器件,它将有可能替代传统的硅,成为电子线路的基本材料。

这张放大1万倍的图片显示,一个电子器件上雕刻出了高低不平的“山峰”和“山谷”,铺在上面的二硫化钼经过拉伸后,形成了一种拥有可变能隙的人工晶体。

吕劲说,能谷是指能带上具有螺旋特性的极值,不同能谷的电子在旋转方向上恰好相反。能谷极化是指两个不同螺旋性的能谷占据电子数不相等。

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9778818威尼斯官网 2黑磷的原子结构图,褶皱蜂窝结构。图片来源:Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

近日,美国斯坦福大学一科研团队首次通过拉伸二硫化钼的晶体点阵,“扯”出能隙可以变化的半导体。利用这种半导体,科学家有望制造出能够吸收更多光能的太阳能电池。

二维狄拉克材料能隙被打开

二维狄拉克材料能隙被打开

二维晶体是由几层单原子层堆叠而成的纳米厚度的平面晶体,比如大名鼎鼎的石墨烯。但是石墨烯没有半导体带隙,即分隔电子导电能带(导带)和非导电能带(价带)之间的无人禁区,也就是说它难以完成导体和绝缘体之间的转换,不能实现数字电路的逻辑开与关。而同样由单原子层堆叠而成的黑磷,则具有一个半导体带隙。

很多电子产品都离不开半导体。为了让半导体为人所用,工程师必须精确地知道电子通过晶体点阵时需要耗费多少能量。这种能量计量叫做能隙,它可以帮助科学家决定哪种物质更适合执行某种电子任务。

吕劲表示,得益于极薄的尺寸和光滑的表面,较之三维材料,二维材料具有更好的门控性能和载流子传输特性。

吕劲表示,得益于极薄的尺寸和光滑的表面,较之三维材料,二维材料具有更好的门控性能和载流子传输特性。

“两年前中国科技大学的陈仙辉教授告诉我他们可以生长黑磷时,当时直觉就告诉我,这有可能是一个很好的半导体材料,”张远波教授说:“果然,现在我们把黑磷做成纳米厚度的二维晶体后,发现它有非常好的半导体性质,这样就有可能用在未来的集成电路里。”他们发现黑磷二维晶体有良好的电子迁移率(~1000cm2/Vs),还有非常高的漏电流调制率(是石墨烯的10000倍),与电子线路的传统材料硅类似。

该科研团队所使用的二硫化钼是一种岩石水晶。这种材料本身很常见,不过斯坦福大学的机械工程师郑晓林和物理学家哈利·马诺哈兰证明,二硫化钼晶体点阵的排列方式赋予了它独特的电子特质。

然而,以石墨烯为代表的二维狄拉克材料(包括硅烯和锗烯)在费米面附近具有类似于光子的线性能量动量色散,虽然具有很高的载流子迁移率,但遗憾的是它们本身没有能隙,不是理想的半导体材料。

然而,以石墨烯为代表的二维狄拉克材料(包括硅烯和锗烯)在费米面附近具有类似于光子的线性能量动量色散,虽然具有很高的载流子迁移率,但遗憾的是它们本身没有能隙,不是理想的半导体材料。

9778818威尼斯官网 3黑磷二维晶体场效应管结构图。图片来源:Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

二硫化钼是具有单层原子结构的物质:一个钼原子连接着两个硫原子,这种三角形晶体点阵不断在水平面上重复,形成纸一样的结构。二硫化钼自然岩石是多个这样的单层结构叠在一起的结果。“从机械工程学的角度来看,单层的二硫化钼非常迷人,因为它的晶体点阵可以被极大地拉伸而不会断裂。”郑晓林说。

吕劲团队发现,具有起皱结构的单层硅烯和锗烯可以被垂直的电场打开能隙,随后他们用计算机巧妙模拟了处于电场下的硅烯场效应晶体管的工作。“计算机的迅猛发展使得计算凝聚态物理和计算材料学成为重要研究手段。”

吕劲团队发现,具有起皱结构的单层硅烯和锗烯可以被垂直的电场打开能隙,随后他们用计算机巧妙模拟了处于电场下的硅烯场效应晶体管的工作。“计算机的迅猛发展使得计算凝聚态物理和计算材料学成为重要研究手段。”

除了电性能优越以外,黑磷的光学性能同包括硅和硫化钼在内的其他材料相比也有巨大的优势。它的半导体带隙是直接带隙(如图),即电子导电能带(导带)底部和非导电能带(价带)顶部在同一位置,实现从非导到导电,电子只需要吸收能量(光能),而传统的硅或者硫化钼等都是间接带隙,不仅需要能量(能带变化),还要改变动量(位置变化)。这意味着黑磷和光可以直接耦合,这个特性让黑磷成为未来光电器件(例如光电传感器)的一个备选材料。可以检测整个可见光到近红外区域的光谱。

据斯坦福大学官网介绍,该科研团队在芯片上雕刻出高低不平的“山峰”和“山谷”,在上面铺上二硫化钼的单层原子结构,然后将二硫化钼的晶体点阵拉伸到“谷底”或“山峰”。这种拉伸改变了电子在二硫化钼晶体点阵中移动时所需要的能量,并产生了一种拥有可变能隙的人工晶体。

二维材料晶体管表现优异

9778818威尼斯官网:或续写Moore定律对晶体管的预感,新型二维半导体。二维材料晶体管表现优异

9778818威尼斯官网 4直接带隙(左)和间接带隙(右)能带分布图。图片来源:www.umn.edu

自2010年英国科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖罗夫凭借发现单层碳原子结构的石墨烯获得诺贝尔奖后,科学家一直对单层原子结构的物质非常感兴趣。2012年麻省理工大学的科学家曾在模拟实验中拉伸二硫化钼的晶体点阵,并在理论上改变了二硫化钼的能隙。此次斯坦福大学科研团队则通过该实验真正实现了对二硫化钼晶体点阵的拉伸。

9778818威尼斯官网:或续写Moore定律对晶体管的预感,新型二维半导体。尽管狄拉克材料可以被打开能隙,但打开的能隙还是满足不了逻辑器件的要求。

尽管狄拉克材料可以被打开能隙,但打开的能隙还是满足不了逻辑器件的要求。

9778818威尼斯官网,这些初步的研究结果,远没有达到黑磷性能的极限,还有极大的拓展空间。张远波教授表示,黑磷还只是一个刚刚被发现的材料,现在其前景作任何的推断都还太早。“这个材料的很多特性还有待发掘。我们实验室将继续探索这些特性,并且希望能在现在的基础上进一步提高样品的质量。”张远波教授说:“我们正在尝试的另外一件事是看看能不能把黑磷解离到单原子层。单原子层的黑磷会有什么不一样的性质?现在还没有人知道。”      

科研人员相信这一实验为科学界在人工晶体结构方面的进一步创新奠定了基础。马诺哈兰认为,这一研究成果将对传感器、太阳能等多领域带来广泛影响。就太阳能领域而言,由于这种人工晶体结构对更大范围的光谱都很敏感,因此具有用于制造更加高效的太阳能电池的潜力。

吕劲团队发现,半导体二硫化钼场效应管在10纳米尺寸下仍然能保持可观的开关性能,并且具有傲视其他材料的超低亚阈值摇摆。这一预测,很快被加州大学伯克利分校的科学家发表在《科学》上的实验工作所证实。

吕劲团队发现,半导体二硫化钼场效应管在10纳米尺寸下仍然能保持可观的开关性能,并且具有傲视其他材料的超低亚阈值摇摆。这一预测,很快被加州大学伯克利分校的科学家发表在《科学》上的实验工作所证实。

信息来源:Nature

吕劲介绍,尽管理论预测的二维材料晶体管有很好的器件性能,但实际构造出的二维材料晶体管往往达不到理论预期。究其原因在于二维材料难以掺杂,一般只能用金属与二维半导体直接接触来注入电子,在金属半导体界面处常常会出现所谓的肖特基势垒,而常规的能带计算往往严重低估了肖特基势垒的不利影响。

吕劲介绍,尽管理论预测的二维材料晶体管有很好的器件性能,但实际构造出的二维材料晶体管往往达不到理论预期。究其原因在于二维材料难以掺杂,一般只能用金属与二维半导体直接接触来注入电子,在金属半导体界面处常常会出现所谓的肖特基势垒,而常规的能带计算往往严重低估了肖特基势垒的不利影响。

文章题图:Yuanbo Zhang et al. (2014) Nature Nanotechnology.

 

吕劲团队创建了量子输运模拟,很好地解决了二维原子晶体管界面肖特基势垒的计算问题,并且计算结果能与实验很好吻合,这将有利地推动二维材料晶体管的优化。他们系统地模拟了一系列二维半导体V族烯(磷烯、砷烯、锑烯)尺寸在10纳米甚至5纳米以下晶体管,发现了比二硫化钼更好的器件表现,能够满足国际半导体技术线路图未来十年的需要,有望延续摩尔定律。

吕劲团队创建了量子输运模拟,很好地解决了二维原子晶体管界面肖特基势垒的计算问题,并且计算结果能与实验很好吻合,这将有利地推动二维材料晶体管的优化。他们系统地模拟了一系列二维半导体V族烯(磷烯、砷烯、锑烯)尺寸在10纳米甚至5纳米以下晶体管,发现了比二硫化钼更好的器件表现,能够满足国际半导体技术线路图未来十年的需要,有望延续摩尔定律。

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晶体管的发明是上个世纪最重要的发明之一,以晶体管为基础的大规模集成电路延伸了人类的智力,极大地改变了人类的生活。作为国际上运用第一性原理量子输运模拟处理二维原子晶体最成功的团队之一,吕劲团队正致力与其他实验组合作,以期将理论预测的超越常规硅基晶体管的二维材料晶体管变为现实。

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