一文了解3大類信息電子材料及重要研究進(jìn)展

信息電子材料主要是指使用在微電子和光電子技術(shù)領(lǐng)域以及新型元器件基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的材料，一般劃分成集成電路及半導(dǎo)體材料、光電子材料、新型電子元器件材料三個(gè)大類，涉及微電子材料、介電材料、壓電材料、傳感器材料、能源電池材料、光電材料和有機(jī)電子材料等。其中有很多材料都涉及到納米化問題，以實(shí)現(xiàn)靈敏度、集成程度或其他性質(zhì)上的提升。信息電子用材料與器件的納米化，體現(xiàn)了該產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中對(duì)器件更高性能的不斷追求。

集成電路及半導(dǎo)體材料

用于集成電路和微電子技術(shù)的半導(dǎo)體器件中最重要的就是晶體管。晶體管制程越小，同體積芯片上可以集成的晶體管就越多，這樣芯片的性能就越強(qiáng)，功耗越小。而晶體管制程的大小是以晶體管柵極的寬度來衡量的。傳統(tǒng)的硅基晶體管柵極的理論最小值大約為5nm，工業(yè)上量產(chǎn)的基本都是硅基納米晶體管，不過近期的研究中也有一些非硅材料納米晶體管出現(xiàn)。

此前，美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校宣布，首次實(shí)現(xiàn)了碳納米管晶體管性能超越硅基晶體管，其性能是硅晶體管的1.9倍。美國(guó)勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室也宣布，由該實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Ali Javey領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制作出了具有1nm柵極（gate）的晶體管，此項(xiàng)研究的關(guān)鍵是使用了碳納米管和二硫化鉬（MoS2）材料，其中用碳納米管作為柵極材料，因而突破了硅晶體管的制程理論極限。

光電子材料

光電子材料是發(fā)展光電信息技術(shù)的基礎(chǔ)，主要包括激光材料、紅外探測(cè)材料以及光纖材料等。可以將光電子材料制成納米態(tài)以滿足特殊應(yīng)用需要或者使相關(guān)器件獲得新的性能。

1.納米激光材料

激光材料是把各類泵浦能量轉(zhuǎn)換成激光的材料，對(duì)于激光器來說是工作材料。在激光器上有時(shí)要使用納米級(jí)材料制備的元件以提高其性能。

此前，澳大利亞國(guó)立大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)通過向納米激光器中添加鋅原子可以顯著改善激光器的性能。這種激光器的直徑為納米級(jí)，由砷化鎵制成。美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣布發(fā)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的新方法可以生成納米線，該納米線能夠用來制作納米尺度的線材以及色彩可調(diào)諧的納米級(jí)激光發(fā)生器。

2.納米紅外探測(cè)材料

紅外探測(cè)器就是通過光電轉(zhuǎn)換把目標(biāo)的紅外熱輻射信息轉(zhuǎn)化為可度量的電學(xué)信息，從而在夜晚實(shí)現(xiàn)熱輻射信息可視化的儀器。紅外探測(cè)對(duì)于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)極為重要，我國(guó)進(jìn)行了很多該領(lǐng)域納米材料的研究。

此前，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在新型納米線紅外光電探測(cè)器研究中取得進(jìn)展，他們成功制備的單根納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)現(xiàn)了寬譜快速紅外探測(cè)。

3.納米光纖材料

光纖，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而實(shí)現(xiàn)光傳導(dǎo)的工具，是光通訊的基礎(chǔ)。在其中加入納米材料或納米結(jié)構(gòu)，就形成了納米光纖材料。

此前，美國(guó)飛博蓋德公司宣布已獲得美國(guó)TelAztec公司獨(dú)家授權(quán)，從而研發(fā)光纖電纜用的“蛾眼減反射”納米結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的抗反射鍍層相比，飛博蓋德“蛾眼減反射”納米結(jié)構(gòu)光纖產(chǎn)品具有極高的耐久性和高效的抗反射表面，易于清理并擁有優(yōu)異的損傷閾值。

新型電子元器件材料

新型電子元器件材料具有小型化的發(fā)展趨勢(shì)，主要包括：納米磁性材料、納米電子陶瓷材料、納米電池材料和納米信息傳感材料等領(lǐng)域。

1.納米磁性材料

一般情況下，磁性材料是指由過渡金屬元素鐵、鈷、鎳及其合金等能夠直接或間接產(chǎn)生磁性的物質(zhì)。按磁化后去磁的難易程度可分為軟磁和硬磁兩類。磁化后容易去掉磁性的叫軟磁性材料，不容易去磁的叫硬磁性材料。目前，永磁材料具有高矯頑力、高磁能積、高剩磁的發(fā)展趨勢(shì)。

此前，日本東北大學(xué)聯(lián)合日本電磁材料研究所等研究機(jī)構(gòu)通過混合鐵鈷合金納米磁性顆粒和氟化鋁制備而成透明強(qiáng)磁性薄膜材料，有望應(yīng)用于汽車、飛機(jī)等下一代透明磁性設(shè)備上。我國(guó)也在納米磁性材料領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)步。中科院寧波材料所的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可宏量制備硬磁納米顆粒的方法，利用NaCl顆粒作為FePt納米顆粒成核和生長(zhǎng)的介質(zhì)，抑制團(tuán)聚的發(fā)生，顆粒尺寸可在6.2-15 nm調(diào)控，矯頑力可在3.15-21.5 kOe調(diào)控。

2.納米電子陶瓷材料

電子陶瓷是指在電子工業(yè)領(lǐng)域可以利用電、磁性質(zhì)的陶瓷，通常情況下，可通過對(duì)表面、晶界和尺寸結(jié)構(gòu)的精密控制而獲得新的功能。

此前，荷蘭特文特大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型陶瓷材料，具有紙一般的柔性和聚合物材料的輕盈，同時(shí)仍能保持超高的耐高溫性，并被稱為柔性陶瓷，有望成為新型電子設(shè)備的基質(zhì)材料。該材料的制備采用了陶瓷納米纖維工藝，在1200℃下連續(xù)加熱24小時(shí)不會(huì)燃燒和融化。

3.納米電池材料

目前，電池材料朝著高比能、長(zhǎng)壽命、輕型化的方向發(fā)展，而鋰離子電池廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、新能源汽車等領(lǐng)域，商品化程度極高。電池材料主要包括正極材料、負(fù)極材料和隔膜等，其中電極材料可制備成納米態(tài)，以提高電池整體性能。

此前，美國(guó)加州大學(xué)河濱分校開發(fā)出一種新型硅-錫納米負(fù)極材料，大幅增加鋰離子電池充放電循環(huán)次數(shù)。與石墨基負(fù)極材料相比可提高3倍的充電容量，經(jīng)過多次循環(huán)硅-錫納米復(fù)合負(fù)極材料仍能保持出色的循環(huán)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。使用硅-錫納米復(fù)合負(fù)極材料配以簡(jiǎn)單的制造工藝，可擴(kuò)大鋰離子電池在下一代電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。

4.納米信息傳感材料

傳感器是指能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。

此前，日本物質(zhì)?材料研究機(jī)構(gòu)和美國(guó)麻省理工學(xué)院聯(lián)合開發(fā)了一種碳納米管化學(xué)傳感器可以集成到智能手機(jī)上探測(cè)有毒氣體,可通過電導(dǎo)率變化檢測(cè)毒氣。