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详解忆阻器石墨烯:未来的器件

2018-05-16 点击量:208
详解忆阻器石墨烯:未来的器件

   介绍的两种未来的器件就是“忆阻器和石墨烯”。近年来随着各国界对两者研究的深入,样品的出现,证实了理论的可行,引起了业内高度的重视。对于它们的功能和未来的作用预测颇多。有的认为犹如晶体管替代管那样将会出现一场“革命”。如今,国内很多学术及研究单位都已投入研究开发。本文仅根据收集到的一些资料对它们的原理和未来做一些介绍。

一、忆阻器(Memristor)

1,原理和现状

忆阻器是一种通过控制电流的变化可改变其阻值,有记忆功能的非线性揭阳变压器。美国加州大学伯克利分校的华人科学家蔡少棠于1971年,从理论上预言存在除揭阳变压器器、揭阳变压器和揭阳变压器器外的第四种基本电路元件——忆阻器。

他当时发表的论文《忆阻器:下落不明的电路元件》提供了忆阻器的原始理论架构,推测忆阻器有天然的记忆能力,即使中断亦然。简单说,忆阻器是一种有记忆功能的非线性揭阳变压器。通过控制电流的变化可改变其阻值,如果把高阻值定义为“1”,低阻值定义为“0”,则这种揭阳变压器就可以实现存储数据的功能。

蔡教授原先的想法是:忆阻器的揭阳变压器取决于多少电荷经过了这个器件。也就是说,让电荷以一个方向流过,揭阳变压器会增加;如果让电荷反向流动,揭阳变压器就会减小。简单地说,这种器件在任一时刻的揭阳变压器值是时间的函数,能记住多少电荷向前或向后经过了它。实质上,就是它的揭阳变压器会随着通过的电流量而改变,而且一旦电流停止,它的揭阳变压器仍然会停留在之前的值,直到接受到反向的电流它才会被推回去。

这一简单想法如果被证实,将对计算及计算机科学产生深远的影响。

2008年美国惠普公司实验室研究人员在英国《自然》杂志上发表论文宣称,他们已经证实了电路世界中的第四种基本元件——记忆揭阳变压器器,简称忆阻器的存在,并成功设计并制造出一个能工作的忆阻器实物模型。他们像制作三明治一样,将一层纳米级的二氧化钛半导体薄膜夹在由铂制成的两个金属薄片之间。忆阻器的组成部分只有5纳米大小,也就是说,仅相当于人一根头发丝的万分之一。

华裔科学家37年前理论预测成真。

此后学术界提出了“忆阻器有可能代替晶体管”这种说法。但更多的还是研究它的自动记忆能力和状态转换特性、人工和模拟存储。

科学家指出,只有在纳米尺度上,忆阻器的工作状态才可以被察觉到。他们希望这种新元件能够给计算机的制造和运行方式带来革命性变革。科学家说,用忆阻电路制造出的计算机将能“记忆”先前处理的事情,并在断电后“冻结”这种“记忆”。这将使计算机可以反复立即开关,因为所有组件都不必经过“导入”过程就能即刻回复到最近的结束状态。让科学家能够用一种不同于编写计算机程序的方式来模拟大脑,或模拟大脑的某种功能,构造出基于忆阻器的仿生类大脑功能的硬件。这样的计算机可以做许多数字式计算机不太擅长的事情,例如图形识别,甚至是学习。比如,这样的硬件用于脸部识别技术,可以比数字式计算机上运行程序快几千到几百万倍。

研究人员预测,这种技术产品5年后才可能投入商业应用。
2,忆阻器在中国

国内学术界在正式场合引介忆阻器大约在2010年。在该年的中国学会第16届元件学术年会上,清华大学材料系教授周济介绍了忆阻器。

目前国内研究仍处于“自由探索”阶段,不仅力量分散,而且主要集中于理论层面和计算机仿真。受研究条件所限,真正物理实现尚不多见。据了解,华中科技大学历经四年研究,已经能够制备出纳米级性能稳定的忆阻器原型器件。近期,由该校牵头,联合清华、北大、国防科大、中科院微所等单位已在联合申报一个“973”计划项目,一旦获批,将拉开我国忆阻器研发“协同作战”的序幕。

二、石墨烯(Graphene)

1,原理和现状

说石墨烯是器件还不如说是材料更为确切。

石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验室从石墨中分离出石墨烯而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得2010年诺贝尔物理学奖。并且石墨烯在自然界也有产出,2014年在中国由一颗碳质球粒陨石中,发现了碳晶体纳米石墨烯。中国发现的这颗碳原子“石墨烯”使人们得以看见石墨烯的成长基理,意义重大。

人们发现,石墨烯具有非比寻常的优良特性。它是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,比世界上最好的钢铁还要高上100倍,根据石墨烯强度超大,超薄的特性,石墨烯可被广泛应用于各领域,比如超薄超轻型飞机材料,超轻防弹衣等;它导热系数高达5300 W/m·K,高于碳纳米管和金刚石;石墨烯具有非同寻常的导电性能、其揭阳变压器率极低,比铜或银更低,为世上揭阳变压器率最小的材料,耗能低;石墨烯具有极好的透光性,几乎是完全透明,它又是良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

在领域石墨烯有其更广阔的天地。

石墨烯是零带隙半导体,具备独特的载流子特性和优异的电学质量。石墨烯有可能会成为硅的替代品。由于它的迁移的速度极快,因此被期待可用来发展更薄、更小、导电速度更快的新一代元件或晶体管,例如制造超微型晶体管。室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率,并且受温度和掺杂效应的影响很小,较大的费米速度和低接触揭阳变压器则有助于进一步减小器件开关时间。超率的操作响应特性好是石墨烯基器件的显着优势。此外,石墨烯减小到纳米尺度同样保持很好的稳定性和电学性能,使探索单器件成为可能。
又如用石墨烯器件生产未来的超级计算机可以获得更高的速度。石墨烯由于其导电性能好、损耗小特性,尤其适合于电路。这使它在微领域也具有巨大的应用潜力。

2010年,清华大学首次将石墨烯覆盖在传统的单晶硅材料上,研究发现其具有优异的光电转换性能。光电转换效率可以达到10%以上。

2012年物理学家组织网报道,英国曼彻斯特大学的科研人员设计出一种新型石墨烯晶体管,在其中可借助隧穿和热离子效应,同时从上方和下方穿越障碍,并在室温下展现出高达106的开关频率。

2011年6月,IBM的研究人员宣布,他们已经成功地创造了第一个石墨烯为基础的集成电路——宽带无线混频器。电路处理频率高达10 GHz,温度高达127摄氏度时其性能不变。

石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜,有望在现代科技领域引发一轮革命。

2,石墨烯在中国

中科院重庆绿色技术研究院(简称中科院重庆研究院)已经成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯并成功将其完整地转移到柔性PET衬底上和其他基底表面, 并且通过进一步应用,还制备出了7英寸的石墨烯触摸屏。这样的大尺寸,达到了国内最高水平,它或将为我们的手机、电脑等产品带来一场革命。

2013年3月,浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶——碳海绵:碳纳米管和石墨烯共同支撑起无数个孔隙的三维多孔材料。它刷新了世界上最轻材料的纪录,每立方厘米0.16毫克,仅是空气密度的1/6。“碳海绵”具备超高的吸油能力。吸收量是自身质量250倍左右,最高可达900倍。

2013年4月,贵州新碳高科有限责任公司宣布研制成功出中国首个纯石墨烯粉末产品——柔性石墨烯散热薄膜。其散热效果比常用的散热材料铜要高2-4倍,而且具有良好的可加工性能。

金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室设计并制备出可快速充放电的柔性锂离子电池。可在6分钟内完成充电(达到初始容量的90%),在100次循环之后容量保持率在96%。

中国科学技术大学教授吴恒安、博士王奉超与诺贝尔物理学奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授课题组在石墨烯材料方面合作研究,最新发现表明,,氧化石墨烯薄膜具有“快速精密筛选离子”的性能,有望实现海水的迅速淡化与净化。
中国石墨烯标准化委员会正式发布中国石墨烯第1号标准《石墨烯材料的名词术语与定义》,并于2014年1月1日起实施。该标准的主要起草单位为中科院金属所、东南大学、泰州石墨烯研究及检测平台、泰州巨纳新能源有限公司及中科院半导体所。

中国已然成为全球石墨烯的出版物和专利的领先者,其碳纳米管制造可能占到了全球的50%。中国已经在碳纳米管和石墨烯的研究和制造中处于全球领先地位。

三、展望

科学和技术的发展总是循着一条由低级到高级、由简单到精密、由新事物代替旧事物的规律。近百年技术的发展证实了这条规律。研究者预言,新器件忆阻器和石墨烯的出现很有可能替代半导体器件,只是现在断言为时过早,因为研究还在进行中。发展也是如此:从磁放大器到引燃管,后又进入硅、可控硅时代,如今又出现IGBT/IGCT的繁荣。此时,宽禁带大器件正进入研发的高潮,来势汹涌。新来者的优点明显优于老产品,但有一条,老产品还有它的市场,新来者不可能全替代,这也是“规律”。举例来说,磁放大器和引燃管至今还有它的用武之地。

忆阻器和石墨烯也离不开这条规律。华中科技大学微学系教授、长江学者缪向水表示,忆阻器的确具有给微领域带来强大变革的能力,但要彻底取代晶体管,目前看来还不太现实。“还不太现实”的一个重要原因,在于忆阻器的实际应用还有许多技术问题有待研究。

越来越多科学家认为,最迟至2020年,石墨烯被认为是替代硅最有前途的材料,但究竟哪种元器件堪当此大任,科学家仍在寻找。

要知道人们对新事物总是抱有极大的热情,但新事物不是一个晚上就能成熟。新事物出现的初期,总是存在不少问题和不足。例如,目前石墨烯还仅停留于实验室阶段,而用石墨烯制造的传感器,也表现出了照片响应差、噪音多等问题。因此诺基亚或许将在最近几年不断提升和研发这种石墨烯光电传感器的性能。

新事物的出现到成熟是需要人们不断努力才能得到的。需要各方面的帮助和支持。我们相信我国的忆阻器和石墨烯的开发在不远的将来定会取得成功。

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