材料领域八大关注

第三代半导体材料是以宽禁带为特点的一类半导体材料,包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)等代表性材料。这一特点使得第三代半导体材料的同第一代(Si)、第二代(GaAs、InP)半导体材料相比,具备更高的击穿电场、热导率、电子饱和速率及更好的抗辐射能力。宏观表现出来,就是在高温、高频、高辐射剂量及大功率等传统半导体材料(尤其是SI)难以胜任的场合具有显著优势。

以最典型的SiC材料为例。SiC能够带来能够更高的光电转换效率,用于LED照明可降低40%的成本,应用于太阳能发电则可降低25%以上的转换损失。SiC还能够减少功率元件的电力损失,应用于超高压直流输电和智能电网领域可降低60%电力损失,并提高40%的供电效率;应用在家电、高铁、新能源汽车、工业电机等领域也可实现20~50%不等的节能效率。效率的提高也会带来器件体积的减少,例如用于电脑适配器就可减少80%的体积。

2014年起,美国就成立了以SiC为代表的第三代宽禁带半导体产业联盟,目前已经获得了美国各级政府的1.4亿美元的投资。日本政府则更早认识到了SiC的重大意义,将其视为未来节能战略的重要技术,并在2013年将其纳入了“首相战略”。

石墨烯是一种二维碳材料,具有超薄、柔性、高强度、导电导热性好、透光率好等独特性能,被认为有望在多个科研和产业领域带来革命性进展。目前主要关注的潜在应用方向包括:新一代集成电路的基础材料、新一代触摸屏的透光导电膜、高效导热膜、改善电池性能的添加剂等。石墨烯产业的发展也获得了全球各主要国家的重点关注。我国石墨烯制造相关的市场活动和产业计划呈遍地开花之势,目前已经有企业发展到了吨级生产能力。重庆已经生产了首批采用了石墨烯触屏、电池和导热膜的手机。石墨烯超级电池在新能源汽车的试验中也实现了充电8分钟续航1000公里的颠覆性表现。石墨烯场效应晶体管在实验室中也显示出了高达155G的超高主频。

当然,目前石墨烯的发展还存在许多关键性的障碍,例如批量生产的石墨烯质量较低、缺乏带隙结构、环境风险等等。但在资本力量已经大举介入的情况下,可以预见2016年石墨烯产业会迎来大的发展。

康宁公司计划中的柔性玻璃Willow除了更薄、更耐磨、更通透之外,还具有一个突出的有点:柔性。在需要的时候甚至可以将玻璃卷起来,甚至其生产过程也借鉴了造纸工厂的灵感。这一材料可以用于电子设备的曲面屏幕,以及太阳能电池和照明等场合。Willow原定于2013年面世,但是由于技术和工艺等方面的原因,最终的终端产品可能会在2016年才能出现。

液态金属可以通过“吞噬”少量物质而获得能量,并具备无需外接电力的自主高速运动能力。在不同的环境中,液态自驱动金属能够体现出拐弯、变形、分裂、融合、互动等复杂的行为,甚至给人以“金属生物”之感。这一性能虽然距离电影中的液态机器人仍然遥远,但已经使智能马达、微型机器人、高效泵送机构、柔性运动机构等看到了可能,有望为机械领域带来诸多变革性进步。

石墨烯作为第一种宏观二维材料,显示出了诸多神奇性质而受到了普遍关注,尤其是在电子工业中被视为具有颠覆性潜力的新材料。但石墨烯是电的良导体,缺乏能隙结构的先天缺陷目前还难以解决,因此距离集成电路方面的应用仍然非常遥远。

针对这一问题,一些科学家尝试寻找一种既具有二维材料的特性,又具有能隙结构的新材料。黑磷则被寄予了厚望。普通的白磷经过精确的热处理具备了层状结构,再经过一系列处理后即可分离为单层的二维材料。黑磷具有可调半导体的特性,能够用于代替目前的许多半导体元件,例如晶体管、传感器、太阳能电池、电路开关等。此外黑磷对光线的分散效果也超过石墨烯,因此有望率先应用于光电领域。

压电材料受到外力作用时,能将机械能转变成电能。氧化锌纳米棒受力弯曲时就会产生微弱的电压。将两块材料的摩擦面做成齐整密布、具有压电效应的纳米结构。这样两块材料来回摩擦,会产生群体压电效应,造成群体纳米电源叠加。通过将两块材料的纳米结构插入对方的缝隙的摩擦方式则可以避免表面的磨损。这样的摩擦式纳米电源已经可以为体积很小的微-纳电子器件供电,可使这样的器件结构变简单,生产工艺简化,制造成本下降,使用寿命延长,利于大规模工业化生产与实际应用。很多低频率的低频机械可以用类似的方法转化为电能。目前的一些研究成果已经可以实现超过300伏的输出电压。