未来的IT材料

2015-08-11

CHIP新电脑 2015年7期

锗、镓、石墨烯：全球各地的实验室，研究人员正在尝试各种新材料，以使处理器的速度更快、使显示器的彩色更丰富、使电池能量密度更高。

寻找新材料的研究人员目前研究的材料尺寸是常人难以想象的：当前一个最新的CPU晶体管宽度仅有60nm，比大肠杆菌还要小百倍。在显示器中，最小部件的厚度仅有几个原子层的厚度。在未来，IT技术的基础模块将会变得更小，因此研究人员必须不断地开发新的高科技材料，以便在更微小的尺寸下派上用场。除了众所周知的“神奇材料”石墨烯以外，科学家正在试验其他的一些物质，例如传统材料硫，无论是在单层原子结构的显示面板上还是更微小的CPU中，甚至是开发新电池时它的潜力都超乎想象。

更好的电脑

通过锗和硅材料可以制造出更小的晶体管，支持更快的CPU和更灵活的存储介质。

摩尔定律是半导体产业的口头禅：处理器必须不断变得更小和更快。但是按照目前的技术工艺，作为晶体管主要材料的硅很快将达到它的物理极限，要能够遵循摩尔定律，必须找到制造晶体管的新材料。目前被考虑作为硅替代品的一种材料是锗，这种半导体材料与硅相比有明显的优势：它的低电阻特性能够支持CPU以更高时钟频率运算，而不会导致产生临界热流。此外，锗晶格比硅更为紧密，对于设计更小的晶体管来说这一点尤其重要。微芯片由数百万到数十亿个场效应晶体管（Field Effect Transistor，简称FET）组成：这些FET包含正导电的PFET和负导电的NFET两种不同的类型，虽然使用锗材料的PFET已经使用了很长一段时间，但是NFETS仍然需要采用硅，这导致了晶体管尺寸无法进一步缩小。不过，美国普渡大学的研究人员叶培德最近介绍的互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS）电路中，据说采用了基于锗的NFETS。

硅的相关物有潜力

美国得克萨斯大学的亚历克斯·杰姆科夫认为，锗并不仅仅可以作为CPU的基础材料，它还彻底改变了存储技术。按照物理学家的计算，锗可以用于制作铁电场效应晶体管（Ferro-electric Field Effect Transistor，简称FeFET）。由于FeFET是非易失性的，因而它可以在没有电源的情况下保持状态（类似EEPROM闪存）。其结果是，它可以用于制作永久性的数据存储介质，并且使用FeFET的内存无论是读出还是写入，速度和现在的内存一样快。杰姆科夫在实验室中通过将钛酸钡层放置在锗块上完成了FeFET的核心部件栅极的构建，目前，他正在研究一种方法来为FeFET的源极和漏极添加新材料。

除了考虑锗作为硅的替代品之外，二维纳米层材料也可以作为硅的替代品。二维纳米层也就是每层仅只有一个原子的单层材料，这种材料中最有名的是石墨烯，但是这种通常被称为“奇迹”的碳化合物实际上并不适合用于制造CPU，因为这种材料几乎没有电阻，制成的石墨烯晶体管将不存在打开和关闭状态。而由硅原子制作而成的二维纳米层可以说是一个希望，虽然其生产难度比石墨烯更高，但是由于它的波浪形结构具有所谓的带隙，所以这一属性使得该材料具有可操作性。问题是硅烯（Silicene，单原子层的硅）在空气中几分钟就会消失，因此，目前科学家们正想方设法解决这一问题。现在已经想出的办法是使用特氟隆保护层，如果能够成功解决这一问题，那么CPU的小型化问题将不会再受到材料的限制，暂时可以得到解决。

更小的晶体管不仅需要新材料，还需要新的制造方法。低于10nm的设计，芯片制造商必须依靠纳米线晶体管，但是晶体管需要与其他晶体管和控制器连接，纳米线晶体管与外界的连接问题一直难以解决，如果采用普通的金属连接技术，则需要更多制备和后期装配工作，制作工艺会非常复杂。不过，哥本哈根大学的研究人员已经找出了一种新的方法，可以完全解决这一问题。托马斯·砂耶斯佩森教授和他的同事们成功地开发出了包含电触点的混合纳米线，砂耶斯佩森教授认为，混合纳米线非常有潜力，不仅提高了纳米晶体和电子触点之间进行转换时的承载能力，同时也为制造新型电子元件提供更多的可行性。他和他的同事彼得展示了一个通过数以亿计混合纳米线制作的芯片。对于研究人员来说，考虑的不仅仅是满足传统电脑的需求，砂耶斯佩森教授认为这种新方法最终可以为未来的超导电子的制备奠定基础，可以在未来的量子电脑中使用。

陶瓷超导体的突破

然而，超导体最大的问题是，它们只有在非常低的温度下才能达到它们的零电阻电导率，例如铝，只有在-272℃时才变成为超导体。因此，它必须用液体氦冷却，而这是一项非常昂贵的操作。为了更经济地操作超导体和量子计算机，最好是选择一种超导转变温度与室温相近的超导材料。这或许是不可想象的，但是却未必是完全不可能的。一个以马克斯·普朗克为首的国际工作小组的研究人员已经成功地通过在常温下用红外激光闪烁短时间轰击，使一个特定的陶瓷超导化合物在室温下成为超导体。但效果仅持续了几万分之一微秒，不过研究人员感觉很振奋，认为该实验是迈向未来超导体不需要被冷却的第一步。

所有对于新材料的研究，如果是为了在提高芯片和存储介质的速度方面取得进展，那么如果不能够同时解决另一个瓶颈，所有这一切则都有可能是徒劳的，这就是一直没有得到解决的数据传输问题。截至目前，芯片之间或者存储单元之间都是通过传统的铜缆传输数据，这种传输方式对于未来兆级处理器的数据传输来说是不合格的。如果要实现流畅的数据传输，理想的解决方案是使用光代替金属导体。但是专家找不到一个合适的材料可以用于生产激光器，同时又可以与目前的芯片兼容。不过，德国的于利希研究中心和瑞士的保罗·谢尔研究所日科学家最近取得了一些突破性的进展，在2015年1月下旬，他们推出了一个由锗锡化合物制作的红外线激光器。由于这种材料可以被整合到目前的芯片中，所以有可能不仅能够对电脑的速度产生正面作用，同时还可能大幅度降低电脑的功耗。不过，目前这一原型工作时必须大幅度冷却，研究者正试图找到一个解决这个问题的办法。

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在室温下超导

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解决电脑数据传输瓶颈

CPU内核之间的数据传输速率是电脑的瓶颈，现在，一个由锗锡化合物制作的红外线激光器将可以解决这个问题。

北莱茵-威斯特法伦州的创新

使用一台化学气相沉积机器，德国的于利希研究中心和瑞士的保罗·谢尔研究所科学家开发和制造了部分新型的锗锡激光器。

量子点显示器

使用新材料，可以显著提高现在的显示技术，并制作全新的显示器。

电视制造商如三星和LG之间的竞争是非常激烈的，因而，可以生产出更多、更好的产品。2015年CES大会上，这两家公司都推出了采用所谓的量子点技术的UHD电视，量子点技术不仅能够拓展液晶显示器面板的尺寸，同时还可以提高色彩饱和度。量子点是纳米晶体，是由铟镓砷化合物组成的所谓的化合物半导体。它们可以根据大小精确限定发光的波长，由于量子点的尺寸可以在制造过程中精确地控制，因而它们产生的颜色也可以被非常精确地确定。如果在一个发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）显示器中，数以亿计的红色和绿色量子薄膜在蓝色背光的照射下，将可以产生一个包含所有RGB彩色的高品质白色光。在目前的LED显示器中通常采用白色背光源，红色和绿色的分量看起来会比蓝色分量弱。因而，量子点技术的LED显示器通过蓝色背光来补偿这种不平衡的色彩，可以使显示器拥有更大的色牢度。此外，事实上量子点可以精细地调整色调，使显示器可以显示所有可以想象的色调。另一个优点是，量子点薄膜的处理成本并不昂贵，因此，它们可以被广泛地应用于现有的液晶显示器制造工艺上。其结果将会是生产出一种图像质量可以与有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，简称OLED）显示器相媲美的产品，但投资和生产成本只需要LED显示器的一小部分。

石墨烯制成的透明LED灯

另一种基于纳米材料的显示技术目前仍处于起步阶段，但这种技术有可能产生全新的显示器。英国曼彻斯特和谢菲尔德大学的研究人员已经开发出一种半透明的显示器，该显示器使用的LED集成在一个石墨烯衬底上，显示器由多个二维晶体堆叠而成，其厚度只有10至40个原子厚。它是透明的，且整个表面都可以产生光。该显示器的核心是一个所谓的量子阱（Quantum well），这是由科学家通过组合的一维晶体结构制作的，在量子阱中，电子根据各自的运行方式发射光子。而研究人员可以根据需要选择内部的材料（本例中是二硫化钨）来确定所发射光子的波长。因而显示器可建立在柔性的石墨烯衬底上，它不仅透明，而且也很灵活，理论上可绕在手腕上佩戴。

也是为什么目前使用类似电池的电动车里程只有150km左右的原因。此外，锂离子电池的阴极材料锰或钴都是相当昂贵的，因此德国弗劳恩霍夫研究所在2014年4月开启“LiScell”项目，致力于研究锂硫电池（Li-S），锂硫电池中可以使用具有成本效益并且无毒的硫取代锂离子电池此前昂贵的阴极材料。此外，研究人员希望可以通过这种技术，将电池的能量密度至少提高60%。

通过金属空气电池可以实现更高的能量密度，但不幸的是铝之类的金属阳极在电化学过程中会很快损坏。不过日本富士颜料公司声称已经成功制造出新型的铝空气电池，制造商称，这种电池的铝电极可以持续使用14天，它由一个陶瓷层保护着。根据富士颜料公司的介绍，这种电池的理论能量密度比锂离子电池高40倍，而且这种电池的操作非常简单，需要充电时只需要补充水即可。

量子点电视机

在拉斯维加斯CES 2015年大展中，三星和LG展示了他们采用量子点技术的新电视旗舰产品，这些设备年内将开始发售。

尺寸问题

量子点是砷化铟镓纳米晶体，如果它们被能量激发，它们将发出特定波长的光，通过控制量子点的尺寸，可以再现可见光谱中的每种颜色。

更好的量子阱发光二极管

通过组合不同的二维材料，光子在纳米级可以被控制，这种量子阱是透明LED的基础。

更强大的电池

每天都需要提醒自己为手机充电。新型电池将很快会解决这种烦恼。

智能手机越来越薄、速度越来越快，但是如果电池连一天也撑不过去，那么这些都是没有意义的。在移动计算与可穿戴设备应用越来越广泛的时代，对于高性能电池的需求正在不断增加。这其中的关键是能量密度，所谓能量密度是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小，具体到电池，也就是在特定大小的电池之内能够容纳多少电荷载体。对于当前主流的锂离子电池技术，这意味着在电池阳极的锂原子数量越多，可以存储的能量就越高。

那么，最有效的解决方案显然是制造纯锂的阳极，然而到目前为止，类似尝试不是导致电池无法工作，就是电池在几个充电周期之后付之一炬。

麻省理工学院旗下一家名为SolidEnergy的公司目前已成功地解决了这个问题，导致电池着火主要的原因是锂与电解液之间的化学反应，因而，通过固体电解质防止锂与电解液产生反应，可以有效解决这一问题。固体电解质就像是锂与电解液之间的分隔物，虽然它无法和液态电解质一样引领离子，但由于它非常薄，因而并不会造成什么问题。这种新的方法可以极大地提升能量密度。在测试中，这种电池在300次充电循环之后，存储容量减少只有约20%，性能完全可以和目前智能手机使用的电池相当。

未来的空气和水电池

尽管锂离子电池目前是各种设备的首选，但是对于电动车来说它的能量密度实在是太低了，所以它并不是一个好的选择。这也是为什么目前使用类似电池的电动车里程只有150km左右的原因，但这实在不是一个可接受的结果。此外，锂离子电池的阴极材料锰或钴都是相当昂贵的，因此德国弗劳恩霍夫研究所在2014年4月开启“LiScell”项目，致力于研究锂硫电池（Li-S），锂硫电池中可以使用具有成本效益并且无毒的硫取代锂离子电池此前昂贵的阴极材料。此外，研究人员希望可以通过这种技术，将电池的能量密度至少提高60%。

通过金属空气电池可以实现更高的能量密度，但是不幸的是铝之类的金属阳极在电化学过程中会很快损坏。不过，日本富士颜料公司声称已经成功制造出新型的铝空气电池，制造商声称，这种电池的铝电极可以持续使用14天，它由一个陶瓷层保护着。根据富士颜料公司的介绍，这种电池的理论能量密度比锂离子电池高40倍，而且这种电池的操作非常简单，需要充电时只需要补充水即可。