【精华推荐】科技最前沿：人造肌肉纤维、喷雾印刷晶体、超薄半导体、光子神经网络、纳米线围栅晶体管、纳米天线

麻省理工学院的一支研究团队日前使用尼龙材料，开发出世界上首例可被大规模量产的人造肌肉纤维。

很多年里，研究人员一直在尝试创造出一种耐用、低成本的人造合成肌肉，但始终没有成功。至今制造出的样品要么太昂贵，无法量产（比如碳纳米管）；要么太脆弱，能耗又太高（比如形状记忆合金），以至于没有多大实用价值。但就在近日， MIT 的一支研究团队用尼龙纤维制造出了一种十分理想的、能满足所有实用性要求的人造肌肉。

根据昨天学术期刊 Advanced Materials（“高级材料”）发表的报告，这项技术的秘密在于纤维的形状和加热方式。尼龙纤维有一种很神奇的特性，当你对它们加热的时候，他们会收缩长度，并且增大直径。这使得尼龙纤维成为进行直线运动的理想材料，比如竖直地提起什么东西。但是让尼龙纤维在收缩的同时进行弯曲就不是那么简单了。

传统的方法里，让尼龙弯曲需要用到滑轮装置。这增加了系统的重量、复杂度和成本——它们恰恰是是量产新技术最需要减少的三个东西。

MIT 团队找到了一种很巧妙的方法绕过这个难题。该团队使用的是普通的尼龙丝。他们先对它压缩处理，把圆形的横截面改为矩形。接着，他们只对纤维的一侧进行加热。这样一来，加热这一侧比未加热一侧收缩得更快，强迫尼龙纤维向受热一侧弯曲。而加热源可以是任何东西，包括电阻发热，化学反应发热和激光发热。这些尼龙纤维出乎意料的非常结实耐用，可以经受 10 万个使用周期，并且可以在一秒内收缩 17 次。

这一项人造肌肉的突破性进展，在工业和商业领域有广泛的潜在应用。例如可以按照你的体型自动收缩，极度合体的 “智能衣服”，以后买衣服再也不用担心尺寸合不合适。这些纤维还可以被用到汽车、飞机上。还记得今年早些时候宝马推出的吉娜概念车吗？这辆梦幻跑车的车身，覆盖了一层可调节、可扩展的纤维材料做成的“衣服”。有了这种纤维，汽车的“外衣”（外壳）可以在高速行驶时受风力而自动改变形状，最大限度地减小了风阻。

这项技术还可以被应用到自动调节导尿管来打胰岛素。有朝一日，我们甚至会看到这种尼龙纤维应用在仿生机器人上，成为它们的肌肉。遗憾的是，目前还不得而知这种人造纤维离市场化有多远。

喷雾印刷晶体有助于推进有机电子器件应用

【据固态电子技术网站2016年11月22日报道】用可印刷有机半导体油墨来替换传统硅的时候到了吗？萨里大学的科学家认为是的，特别是对于需要灵活、轻便、可穿戴和低成本的未来电子产品来讲。

单晶半导体，例如硅，作为电子设备的主干已经处于科研兴趣前沿70多年。无机单晶体通常在非常高的温度下在填充有惰性气体的特殊腔体中，使用耗时且耗能的方法由熔体生长而成。一类称为有机半导体的新型结晶材料也可以作为单晶生长，但其生长方式非常不同，即在空气中室温条件下使用基于溶液的方法，从而打开大规模生产廉价电子器件的可能性，瞄准场效应晶体管、发光二极管到医疗x射线检测器、微型激光器等许多应用。

来自英国萨里大学和国家物理实验室的研究团队在自热通讯上发表了新研究成果，首次展示了用于制造高质量、离析有机单晶的低成本、可扩展的喷印工艺。该方法适用于各种各样的半导体小分子。这些小分子可以溶解在溶剂中以制备半导体油墨，然后沉积在几乎任何基材上。重点是该方法结合抗溶剂结晶和溶液应力的优点。然后通过调整喷雾角和到基底的距离控制喷雾液滴对抗溶剂表面的冲击，从而控制晶体的尺寸，形状和取向。通过组合应用多种表征技术，包括偏振光学、扫描电子显微镜、x射线衍射、偏振拉曼光谱和场效应晶体管测试证实，这些晶体具有较高的结构质量。

这些研究对柔性电路、先进的光电探测器阵列、化学和生物传感器、机器人皮肤拉伸传感器、x射线医疗检测器、发光晶体管和二极管以及微型激光器使用的印刷电子技术应用具有直接影响。

萨里大学高级技术研究所、该研究的主要作者Maxim Shkunov博士说：这种方法是制造有机半导体单晶并控制其形状和尺寸的有力的新方法。如果我们看硅，它需要几乎15000℃来生长半导体级晶体，而钢汤匙将在这个温度下融化。制取仅1公斤硅会花费非常高额的电费，与超过2天不间断加热一个茶壶的费用一样。然后，还需要将这些硅割、抛光制成晶片。

我们可以用一个更简单的方式，完全在室温下用一个5英镑的艺术家喷雾刷制备单晶。有了这些基于碳原子的新型有机半导体，我们可以将有机油墨喷涂到任何东西上，并使我们的设备立即获得合适尺寸的晶体。

Maxim Shkunov博士继续说：诀窍是用非溶剂覆盖表面，使半导体分子漂浮在顶部，并自组装成高度有序的晶体。我们也可以通过使用发光分子击败硅来制造激光器，或者你不能用传统的硅实现的器件。这种分子晶体生长方法为可印刷有机电子产品开启了神奇的能力。

超薄半导体可以延长摩尔定律的寿命

【据固态电子技术网站2016年11月21日报道】在对石墨烯和二维材料进行十年的深入研究之后，人们发现一种新的半导体材料显示出在未来超快速电子学应用方面具有巨大的潜力。

该新半导体被命名为硒化铟（InSe），只有几个原子厚度，类似于石墨烯。英国曼彻斯特大学与诺丁汉大学的研究人员共同在本周的“自然纳米技术”上报道了这项研究。

石墨烯只有一个原子厚度，具有优异的电学性能，因此被普遍认为可用于未来电子电路中。石墨烯的属性是没有能隙，因此其表现更像一个金属而不是一个普通的半导体，因此不具备在晶体管中的应用潜力。

新的研究表明，InSe晶体可以制备成只有几个原子厚度，几乎和石墨烯一样薄，并其电子质量高于在现代电子学中普遍使用的硅。重要的是，超薄InSe具有大的能隙，这一点不同于石墨烯，但与硅类似，能轻易实现晶体管的开通与关断，可实现下一代超快速电子器件。

将石墨烯与其他新材料相结合，这些新材料具有与石墨烯性能互补的独特特性，带来令人兴奋的科学发展，并且可以产生超乎想象的应用。

Andre Geim爵士是这项研究的作者之一，因研究石墨烯而获得诺贝尔物理学奖。他认为新发现可能对未来电子学的发展产生重大影响。

“超薄InSe似乎是硅和石墨烯之间的黄金中间体。类似于石墨烯，InSe本身结构超薄，能够缩放到真正的纳米尺寸。与硅类似，InSe是一种非常好的半导体。

曼彻斯特研究人员必须克服一个主要问题，以创建高质量的InSe器件。InSe如此薄，以至于会被存在于大气中的氧和水分迅速损坏。为了避免这种损坏，必须使用国家石墨烯研究所开发的新技术，在氩气中制备InSe器件。

这是首次实现高质量、原子层厚度的InSe薄膜。测量显示，室温下的电子迁移率为2,000cm 2 / Vs下，显著高于硅。该值在较低温度下增加数倍。

目前实验中制备出的该材料为几微米，与人类头发的横截面相当。研究人员认为，采用目前广泛使用的大面积石墨烯片生产方法，InSe也可以很快实现商业化生产。

该项研究合作者，国家石墨烯研究所所长Vladimir Falko教授说：“NGI开发的用于将原子层材料分离成高质量二维晶体的技术为光电子学应用的材料系统提供了巨大的机会。我们正不断寻找新的层状材料尝试。”

根据其结构，厚度和化学组成，超薄InSe是正在成长的二维晶体家族一份子，具有各种有用性能的。

目前，石墨烯和相关二维材料的研究是连接科学和工程的材料科学中发展最快的领域。

世界首个光子神经网络问世

【据麻省科技评论网站2016年11月18日报道】神经网络正在计算界掀起风潮。研究人员利用神经网络技术打造拥有全新能力的计算机，这些原本为人类所专有的能力包括物体识别、人脸识别、自然语言处理、机器翻译等。

因此，打造能力更强的神经网络从而将人工智能的边界继续向前推进成为关注的焦点。对神经网络技术的关注推动了类神经运行电子电路—神经形态芯片技术的发展。目前研究的重点在于如何让这类芯片运行的更快。

普林斯顿大学的研究人员日前打造了世界首个光子神经形态芯片，该芯片可以极快的速度进行运算。光计算是计算科学中一个长期被寄予厚望的领域。光比电子拥有更大的带宽，因此能更快地处理更多的数据。但光数据处理系统的成本使其优势无法得以体现，因此光计算从未被广泛采用。一些如模拟信号处理等对数据处理速度要求极高的应用领域目前采用了光计算。

当前，神经网络为光计算带来了新的机会。光子神经网络利用硅基光子平台所带来的超快信息处理能力，得以进入射频、控制和科学计算等领域。

核心挑战在于制造像神经元一样每个节点都拥有相同反应特性的光子器件。这些节点采用蚀刻在硅衬底上的微型环形波导（tiny circular waveguides），光可以在其中循环传播。当释放这个光并调制在阈值处工作的一个激光的输出时，该环境中输入光的一点微小的改变就会给该激光的输出带来巨大的影响。

关键问题在于，系统中的每个节点都工作在一定的光波波长——这是一种被称为波分复用（wave division multiplexing）的技术。在来自各个节点的光在被送入激光器之前会被总功率检测求和。然后该激光输出会被反馈回节点以产生一个带有非线性特征的反馈回路。

问题是这种非线性能在多大程度上模拟神经行为。研究人员通过测量其输出，表明该芯片在数学上等效于一种被称为连续时间循环神经网络（continuous-time recurrent neural network）的设备。

研究人员为进行概念验证开发了一个49节点的硅基光子神经网络——实验表明在一个实验性的差分系统仿真任务中比传统方法快了1960倍，提升3个数量级。

该研究成果为一个全新的工业领域打开了大门，有可能意味着光计算将首次成为主流方法。硅基光子神经网络代表着人们首次涉足到更为宽广的可扩展信息处理硅基光子系统。

当然，验证性的实验不一定能够适用于实际的应用场景，但毫无疑问，这一研究为基于光子的神经网络的发展提供了重要推动力。在带宽和速度需求日渐高涨的今天，这有望能为人们提供一种所需的解决方案。

下一代高性能晶体管

纳米线能否继任FinFET

最近IMEC发布了他们在先进制程工艺上激动人心探索的成果——基于水平纳米线的围栅晶体管。水平纳米线围栅晶体管是FinFET技术的一种自然延伸，在工艺上他们有很多相似之处，目前FinFET的所采用的制造技术几乎可以全部应用到水平纳米线围栅晶体管中。

据IEEE报道，来自IMEC的Hans Mertens研究小组，使用8纳米宽的密集型纳米线堆栈在传统硅表面上成功制作了环栅式晶体管，未来经过技术改进有可能投入量产。该团队使用硅锗混合材料在硅表面增设多个分层；随后在此基础上制作了包含多个替代层的“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，团队移除硅锗，在每一鳍中只保留下两根硅纳米线。

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，纳米线两端和源极和漏极区域相互连接，成为同一晶体管的共同组成部分。将纳米线进行堆叠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。

纳米线晶体管的独特之处在于其纳米线的形成。

一般来说为了形成水平纳米线，首先需要在硅衬底上交替外延或者淀积几种材料，比如在硅衬底上从底层到上层形成硅衬底-ABAB*******AB的结构，其中A为牺牲层，B为纳米线材料。一种可能的推测是，纳米线是在Dummy Poly GateRemoval后，暴露出Fin时，增加额外的工艺步骤来制作纳米线。由于Fin包括ABABAB层，那么选择一种合适的刻蚀工艺去除A，而保留B。那么B材料就形成了悬空的类似长方体的纳米线，两端悬挂在Source/Drain上。然后对纳米线的形状进行一定的加工，使得其截面变成圆形。变成圆形对后续的Gate Dielectric生长和器件可靠性有好处。接着进行Gate Dielectric和Gate Metal生长。

正如我们公众号之前所报道的，IMEC使用了SiGe做A层，Si做B层，并使用了一种称为Atomic Layer Etch（ALE）的先进刻蚀工艺。从之前的截图可以看到，IMEC将纳米线做成近似圆形。这里IMEC可能使用了非常独特的方法，可能是氧化，或者用了湿法刻蚀，或者是前面的ALE工艺能直接达到这种效果。需要在如此小尺度上做这么多工作，这一步工艺非常困难。不过仍然可以发现，纳米线截面积有一定波动。其他工艺难点，例如源漏接触等，后段工艺则是纳米线和Fin工艺都需面对的挑战。

纳米线对于Fin的一个直观优势是其栅极对沟道的静电控制能力又有所增加。这有什么好处呢？那么为了保持同样电流密度的源漏关断电流，纳米线晶体管的阈值电压可以做到更低，其饱和电流密度变大。反过来说，同样大的饱和电流密度，纳米线晶体管的漏电流密度可以做到更低。但是其中有一个需要注意的地方，如果纳米线的间隔做的过大，那么纳米线的数量可能会受限制，其单管的开启电流可能达不到令人满意的程度。

另一个独特的地方是在纳米线中，硅衬底上有一个寄生沟道。IMEC采用额外的衬底注入提高寄生沟道的阈值电压来消除漏电。这个漏电通道也存在于FinFET中的Fin底部，有非常多方法来消除该漏电。还有一个很有趣的地方是，纳米线晶体管在结构上是一种三端器件，没有Bulk，而且沟道全耗尽，那么衬偏效应也就不复存在。

IMEC发布的纳米线工艺非常让人激动。但是如果真的要投入实用，器件的可靠性、灵活性、多样性都还需要经过考验。相信IMEC会在随后发布更多关于纳米线特性的细节报道，半导体行业观察将和您一同关注。

关于作者：Bob，摩尔精英特邀编辑，投身于半导体行业多年，致力于先进工艺和器件的研究。

光信息处理技术新突破

纳米天线成为光计算利器

最近，俄罗斯和美国的研究人员(俄罗斯圣彼得堡的物理和技术莫斯科研究所（MIPT）和得克萨斯州的奥斯汀大学ITMO)联合开发了通过纳米天线改变光方向的新技术。研究人员认为，这种纳米天线将把光信息处理技术推向新的高度。

光计算的首要前提是要用光子取代电子，需要一种简单的光子的控制手段。相对来说，电子可以简单地通过施加电场来对其进行控制，而光子既不具有质量也不具有电荷，要对其进行控制不是一件简单的事。导波管能够容纳光子并长距离地引导它向指定方向移动。纳米天线的工作原理则不同，它不是引导光，而是按特定方向反射光子。像普通天线一样，纳米天线的方向性由材料和几何形状决定。

值得注意的是，这种纳米天线可以对光子散射方向进行控制。研究人员说，他们可以在不改变其物理尺寸的条件下，改变入射光的散射方向。

该国际研究小组在《激光与光子评论》（Laser &Photonics Reviews）发表文章，指出这个微小的（小于200*200*500纳米）的硅基纳米天线对光子的散射方向取决于光的入射波强度。

ITMO大学高级研究员Sergey Makarov在新闻稿中说：“利用这项新技术，我们可以用更快的速度改变光的传播方向。”

ITMO研究人员对光子散射做了大量的研究工作，本次提出的纳米天线由硅纳米颗粒组成。当硅纳米颗粒受到激光照射时，它们会产生电子等离子体。这种电子等离子体与表面等离子体光子学领域所熟知的表面等离子体不同，该等离子体仅仅是一束传导电子，当它吸收光时会进入到半导体导带中。它们可以自由地通过半导体，直到它们失去能量并落入初始价带。

在《IEEE Spectrum》的电子邮件采访中，MIPT研究生Denis Baranov解释说，“表面等离子体激元是这些自由电子的特殊振荡形式，但是这些振荡只有在自由电子的密度相当大时才会产生，在我们的实验情况下没有那么多电子。这些电子能产生表面等离子体，只是它们的密度不够大。”

这种等离子体激发机制正是纳米天线的光子偏转工作原理。从本质上说，入射光越强，光子偏转角度越大，最大的光子偏转角度是20度。

Baranov说：“一旦你确定了硅纳米颗粒的粒径和位置，那么光散射的方向是固定的。但是，当在颗粒内产生等离子体时（强脉冲照射），其折射率会发生变化，并因此改变整个纳米天线的光学性质。”

换而言之，等离子体会改变散射的方向。Baranov补充道：“人们可以认为这只是稍微改变了粒子的材料——你改变了材料，但保持几何形状及尺寸不变，光的散射方向也随之发生改变。”

同时，纳米天线的关键技术在于让一个硅纳米颗粒发生谐振。这样做是为了增强光束路径的效果。

Baranov解释说：“假设我们有一个由两个相同粒子组成的纳米天线。由于对称性，它不能横向散射光，只能向前散射。”

然而，当一个粒子发生共振时，它会诱发等离子体产生，而其他非共振粒子没有。这就为天线提供了所需的非对称行为。

“现在你看到，相同的纳米天线能够根据入射强度向侧面或向前散射光，”Baranov说。“对于弱脉冲，没有等离子体产生，由于天线的不对称性，它将光散射到侧面。当施加强脉冲时，谐振粒子内会产生等离子体，天线因此变成‘对称’的类型，进而向前散射光子。

这种光学天线可以支持高达250GB/s的数据传输速率，有助于弥补光学数据传输速率和电子数据处理速度之间的鸿沟。现在，光纤电缆能以每秒数百千兆位的速度传输数据，而可惜的是，我们的电子计算机在这种速度下只能处理这些信号的一小部分。