【精华推荐】纳米管超强材料、水下超强力胶、“隐身帽”、弯曲石墨烯膜、新超导材料、下一代晶体管

压焊技术可将纳米管制备成超强材料

【据固态电子技术网站2016年11月7日报道】来自莫斯科物理与技术研究所（MIPT）、超硬和新碳材料技术研究所（TISNCM）、莫斯科国立大学（MSU）和国立科技大学的研究人员表明，超强材料可以通过将多层碳纳米管一起制备而成。该研究结果发表在Applied Physics Letters。

    根据科学家的说法，这种材料非常坚固能承受非常苛刻的条件，可用于航空航天工业等领域。

    该论文的作者进行了一系列实验来研究高压对多壁碳纳米管（MWCNT）的影响。此外，他们模拟高压电解池中的纳米管行为，发现MWCNT的外壁中的剪切应力应变使它们彼此连接，并导致其外表面上的结构重排。然而，同心纳米管内部完全保持它们的结构：它们仅仅在压力下收缩，一旦压力释放便恢复原状。

    这项研究的主要特点是，它证明了共价结合引起多壁纳米管互连（聚合）的可能性；生产这些纳米管可比它们的单壁对应物更便宜。

    米管之间的这些连接仅影响外壁的结构，而内层保持完整。这使我们能够保持原始纳米管优异的耐久性。擬IPT分子化学物理系教授、TISNCM功能纳米材料实验室的负责人Mikhail Y. Popov评论说。

    剪切金刚石压砧（SDAC）用于对纳米管进行压力处理。实验压力高达55GPa，该压力是马里亚纳海沟底部水压的500倍。该电解池由两个金刚钻组成，材料的样品之间可以被压缩。SDAC与其他电解池类型不同之处在于，可以通过旋转其中一个砧来对材料施加受控的剪切变形。因此，SDAC中的样品受到的压力，既有静水压力又有剪切分量的压力，即应力施加在垂直和平行于表面。通过计算机模拟，科学家发现这两种类型的应力以不同的方式影响管的结构。静水压力分量以复杂的方式改变纳米管壁的几何形状，而剪切应力分量在外壁上诱导形成sp 3杂化的非晶化区域，通过共价键将它们连接到相邻的碳管。当应力消除时，连接的多壁管内层的形状复原。

    碳纳米管由于其独特的机械，热和导电性质而具有广泛的商业应用。它们用于电池和蓄电池，平板电脑和智能手机触摸屏，太阳能电池，抗静电涂层和电子设备中的复合框架。

隐身或成现实！新加坡科学家将研制出“隐身帽”

　　据俄罗斯“Informing”新闻网11月8日消息，新加坡科学家即将研制出一款奇特的“隐身帽”。

由科学家张培尔（音）带领的南洋理工大学的研究人员在三年时间内一直在研发一种可“隐身”的帽子。专家们已经成功创建了一个能够使物品隐藏在人类视线外的系统。但该发明目前仅能“隐藏”一些体积较小的物品或小动物。

　　科学家称，到目前为止，用镜面效果可以实现物体的一部分“隐形”，但物体的另一部分整体仍然可见。科学家将就如何实现隐藏全部物体做进一步研究。

　　据报道，这一发明可在多个领域使用，尤其是在国防工业领域。

科学家发明水下超级强力胶，灵感来源于海鲜

即使最强的粘合剂，在泡过水之后恐怕也毫无用武之地。只要想想在淋浴时不小心从手指上滑落的创可贴就知道了。然而，在美国海军研究办公室（ONR）的支持下，一位研究人员从自然界的生物中受到了启发，开发出了一种在湿润时仍能保持粘性的粘合剂。

密歇根理工大学生物医学工程助理教授布鲁斯·李（Bruce Lee）博士，使用贻贝生产的蛋白质制造出了一种可逆的合成粘合剂，它不仅可以在水下仍然保持牢固粘结，而且可以用电流实现粘合的控制。

美国海军研究办公室生物材料和生物技术项目经理劳拉·基恩克（Laura Kienker）博士说，“仿生合成粘合剂（模拟自然过程的合成方法）一直是开发湿粘附材料的重要手段。李博士研究的独特之处在于，他开发的这种仿生湿粘合剂，可以响应于所施加的电流，能够快速而且反复地实现与各种表面的结合与分离。对于海军与海军陆战队来说，这种材料具有非常广泛的非医疗和医疗用途。”

和藤壶类似，贻贝会附着在岩石，码头或者船体上，这是一种十分常见的自然现象，称为生物淤积。贻贝会分泌一种天然液态的强力胶，结合其极具弹性的纤维，即足丝，可以在盐水和淡水环境中表现出相近的粘合能力，同时贻贝还可以轻易地粘附在坚硬或者柔软表面，并且强大的粘附力足够承受最恶劣的海洋条件。

贻贝超强的粘附能力的秘密来自简称为二羟基苯丙氨酸（dihydroxyphenylalanine，简称DOPA）的氨基酸。DOPA是将强力胶和足丝紧固到某一位置的关键所在。而从化学结构上看，DOPA则是多巴胺的近亲，这是一种帮助控制人类大脑快感和奖励机制的神经递质。DOPA还使得贻贝分泌物具有内聚性和外粘性 - 意味着它们可以粘附到其自身和其他表面。

李博士和他的研究团队将DOPA与聚合物，如聚酯和橡胶等进行混合，制备出了在湿润时保仍具有粘合能力的合成胶。实验室测试表明，这种材料可以附着到各种表面，包括金属，塑料，甚至肉和骨头。

“这种合成粘合剂的一个非常有价值的特点在于，它十分多样化，”李博士说。“我们可以根据需要改变化学成分，使其具有刚性或柔性，同时仍保持其整体强度和耐用性。”

李博士和他的团队现在正试图弄清楚如何使用电流创建一个化学“开关”，通过瞬间改变DOPA分子，实现随意控制粘合剂的粘性或者分离。到目前为止，他们已经能够通过调节粘合剂的pH平衡来实现这一点，但是他们现在仍然在努力实现电刺激的控制。

“这项工作的新颖之处在于，到目前为止尚未有可用的水下智能粘合剂”李博士说。“我们向粘合剂中添加的化学物质，使其可逆地发生粘合和脱粘，这一点是相当新颖的。”

李博士设想这种“智能胶”将拥有多种用途。它可以将水下传感器和装置绑定到船舶和潜艇的船体，或帮助无人驾驶的船舶在岩石海岸线或在偏远地区停靠。

这种可以随意粘合和脱落的粘合剂还可能具有潜在的医学应用。它可以用做新型绷带，比如当人出汗或变湿时，它仍然能够保持附着，并在移除敷料时，能够减少人们的痛楚。将来某一天，智能胶甚至可能可以用来连接假肢和生物测定传感器，或缝合外科伤口。

由于李博士在粘合剂领域做出的突出贡献，他被授予为海军研究院青年研究员项目2016年获奖者。这是一项在业内十分有分量的奖项，该奖项授予那些具有杰出研究潜力，并且做出了有助于提升海军实力的创新和尖端研究的科学家和工程师们。

科学家发现“弯曲”石墨烯膜：

可用于彩色电子墨屏幕

电子墨水E-Ink新技术突破可让电子墨水屏在同样的低功耗水平下实现混合色彩显示。科学家发现通过物理手段“弯曲”石墨烯表层的膜，可以有效地控制电子墨屏的显示色彩，在如电子阅读器等电子墨屏幕上形成机械像素“mechanical pixels” ，荷兰代尔夫特理工大学一组科学家团队联合西班牙石墨烯技术公司Graphenea共同进行了研究，近日在学术期刊《纳米通信（Nano Letters）》上发表了研究成果。

　　主要原理，科学家主要应用了被称之为石墨烯“气球”的设备，科学家让两层石墨烯薄膜沉积在特殊的平面硅质基底上时，这一基底布满了直径10纳米左右的圆形空腔，可以形成石墨烯气球--暂时的石墨烯谐振圆形空腔。

团队发现，利用物理手段控制空腔上的石墨烯膜曲率就能够显示出不同色彩，比如向空腔内部和外部施加不同压强，即可控制这些圆形石墨烯膜的曲度。如果曲率足够大，将会显示牛顿环现象。团队中的博士生Cartamil-Bueno称，通过基于“干涉调制”的技术能够开发出渐变彩色的电子墨显示屏，此前已经有Qualcomm Toq等技术采用类似的机械化像素，只不过其显示屏材料是基于硅半导体材质的。

而石墨烯材质的技术电子墨水屏技术，由于石墨烯材质导电性是硅半导体材质的1000倍，因此能够更精确地控制色彩变化，提供更灵活广泛的色彩显示性能。团队有望于在明年巴塞罗那的MWC大会上展出原型屏幕。

下一代高性能晶体管

5 年前，英特尔向全球隆重推介了全球目前正在使用的高性能晶体管——鳍式场效晶体管（FinFET）。这个名字系因其外形而确定：该款晶体管的电流通道沿垂直于晶体管表面的方向笔直树立，酷似鱼鳍，而控制晶体管的栅极则覆盖于侧面。在现代微处理器中，当关闭电流时，还是很容易有电流悄悄流过，而这样的设计方案则实现了更严格的电流控制。

但在FinFET于2011年成为市场热点之前，工程师和设备物理学家曾探寻是否存在可能性，将晶体管的尺寸设计成为符合其逻辑允许的尺寸，并使用可充分包裹载流通道的环栅。转至环栅结构设计，从理论上来讲可以帮助芯片公司生产尺寸更小的晶体管，不会泄漏太多电流，并会提高运行速度或改善能源消耗程度。

目前，来自纳电子学研究所微电子研究中心（Imec，总部位于比利时勒芬）的汉斯•默滕斯（Hans Mertens）及其同事使用8纳米宽的密集型纳米线堆栈在传统硅表面上成功安装了环栅式晶体管。尽管仍然存在若干工程问题，但是在未来的几年内，我们可以看到利用该基础方法所实现的改进，或许我们还会看到该类产品进入批量生产阶段。

将使用半导体材料制造的纳米线沿以下方向之一调整位置，即可制造环栅式设备：侧面，如当前晶体管通路的排列方式；或沿垂直方向，如此一来，纳米线即可立于终端之上，垂直于芯片平面。

在6月份于檀香山举办的技术与电路座谈会上，Imec团队正式向外界公布了研究成果。该团队选择使用侧面设计。首先，该团队使用硅锗混合材料增设多个分层；随后，将平行槽移除，保留包含多个替代层的“鱼鳍”，有些类似于具有多种沉积岩结构的岩石柱。在该步骤之后，团队移除了剩余硅锗，只在每一鳍中留下两根硅纳米线。

为了成功制造晶体管，团队在每一根纳米线的四周添加了绝缘材料和金属栅极，从而形成栅极结构。对于处于垂直状态的两根纳米线，源极和漏极区域——电流产生区域和流动区域——相互连接，成为同一晶体管的共同组成部分。将纳米线进行堆栈处理能够增加特定面积的电流流量，也就可以提高通过晶体管特定面积的电流。

Imec逻辑程序管理经理纳塔• 赫利古奇（Naoto Horiguchia） 表示：“ 这种方法的最大优势在于，该类晶体管的制造方式与现有高性能芯片中的FinFET的极为接近。这是FinFET向下一代产品的自然演变。”

IBM托马斯沃森研究中心（位于纽约约克敦海茨）的迈克尔• 圭劳恩（MichaelGuillorn）表示，Imec推出的产品是首款规模如此之小的堆栈式纳米线元件。圭劳恩自2009年起便参与实施IBM的环栅设备研究项目。

IBM在去年的超大规模集成电路活动中宣布了他们的研究成果。该研究对按照高级芯片制造水平所制造的单层水平纳米线的性能极限进行了探索。圭劳恩表示，考虑到电阻会随通道宽度的减小而升高，业界普遍担忧纳米线会对电流造成严重的阻碍。但根据IBM集团的研究成果，事实并非如此；同时，上述研究成果也表明，带状的纳米线结构——宽且平（而非正方形或圆形），而且具有十字交叉结构——更有助于提高产品性能。

当然，仍有许多问题需要处理解决。默滕斯表示，需要注意的一点就是将包裹纳米线通道的栅极与源极和漏极区域更好地进行隔离。因为在小型设备中，源极和漏极区域距离栅极过近，可能会通过电容耦合出现能量交换问题。

圭劳恩表示，研究人员正在“逐项勾除”业界认为纳米线不合适的“理由”；他进一步表示，假设工程师能够解决与制造和性能有关的所有缺陷，那么在未来的3到6年内，我们可能会看到芯片制造商批量生产上述元件。具体生产时间取决于公司觉得还能推广FinFET多久，按照何种计划和节奏推出下一代芯片以及他们对于该潜在技术拥有何种野心。圭劳恩表示：“尽早采用环栅技术，能够帮助半导体公司在市场竞争中有效实现差异化。”

新超导材料可使电导率增加10倍

据最新一期《Nature Communications》杂志报道，美国工程师制作出首个无需半导体的光控微电子器件。该微型器件使用了一种新的超导材料，在施加低电压和低功率激光激活时，电导率可增加10倍。这项发现为研制速度更快、功率更强的无半导体微电子设备及更高效的太阳能板铺平了道路。

现有晶体管等微电子器件性能会受限于材料组成。半导体具有带隙，意味着其需要外部能量的推动才能使电子流动起来。而电子的速度是有限的，因为电子在流经半导体时，会不断与原子碰撞，所以半导体会限制器件的电导率或电流。

将电子从材料中释放出来是极具挑战性的工作，需要施加100伏以上的高压、高能激光，或是540℃以上的超高温，这无法应用于微型和纳米级电子器件。

加州大学圣地亚哥分校电子工程系教授丹·赛文皮珀领导的研究团队，找到了一种破除电导障碍的新方法并在微观尺度进行了验证。他们制作出的微型器件不需要上述极端条件就能从材料中释放出电子。该器件包含一个工程化“超表面”，这个超表面由蘑菇状金纳米结构组成，位于平行的金条带阵列之上。

这种设计使超表面在施加10伏以下的低电压和低能红外光时，会生成具有高强度电场的“热点”，从而提供足够的能量将电子从金属中拉出并释放出去。实验表明，器件的电导率有10倍以上的增加。 

研究人员表示，这虽然不能完全取代所有的半导体器件，但对某些甚高频率或功率的器件来说，不啻为最佳方式。目前，研究团队正在探求该技术除电子学以外的其他应用，从而为制作出新型光伏器件提供可能。

“织纹”结构金属氧化物纳米薄膜问世

美国布朗大学官网7日发布公告称，该校工程学院研究人员利用他们创建的石墨烯模板，成功合成出具有褶皱和凹裂结构的超薄金属氧化物纳米结构，并证明这些织纹结构能显著改进光催化剂和电池电极的性能。相关研究发表在《ACS Nano》期刊上。

该研究团队之前曾成功在氧化石墨烯单层纳米材料上引入褶皱和凹裂结构，从而大大增强了石墨烯的抗水性和导电性。但他们想用同样方法增强金属氧化物等材料性能时却遇到困难：引入褶皱结构需要从多个方向对石墨烯多次施压，而金属氧化物太硬，这种施压过程会使其断裂，无法操作。“于是，我们尝试用褶皱的石墨烯层作为模板，结果制作出褶皱的金属氧化物薄膜。”领导该研究的博士后研究员陈伯彦（音译）说。 

陈伯彦团队将石墨烯沉积到受热会收缩的聚合物底层上，底层在收缩过程中会将石墨烯挤向顶层，形成褶皱或凹裂结构。接着他们移走底层，在石墨烯褶皱层下面留下空置层，将褶皱的石墨烯层放到带正电的金属离子水溶液中。带负电石墨烯会将金属离子吸引到层间空位，在那里键合成与石墨烯层一样的褶皱或凹裂结构，最后将石墨烯氧化挥发，留下褶皱的金属氧化物层。

他们用这种石墨烯模板制成了锌、铝、镁和铜等不同金属氧化物的复杂结构。由于石墨烯压缩过程可以沿多个方向多次施压，从而获得不同的褶皱结构。

检测表明，新结构的褶皱表面能增强金属氧化物的性能，如褶皱氧化镁电极的导电性能是平层的4倍，凹裂结构氧化锌对光催化反应的催化性能也是平层的4倍。陈伯彦表示，新方法除了可用来改进金属氧化物的性能，还可用来研制不同性能的超级薄膜及全新二维材料。