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2021年第11期(发布时间: Aug 25, 2021 发布者:沈湘)  下载: 2021年第11期.doc       全选  导出
1   2021-08-11 10:25:23.43 Yole: VCSEL市场预计在2026年将达到24亿美元,CAGR 21-26为13.6% (点击量:33)

VCSEL技术在不断发展,从用于数据通信应用的基于850nm的VCSEL过渡到用于3D传感应用的基于940nm的VCSEL阵列。几年前,智能手机在前显示屏上嵌入了一个凹槽,以实现自拍摄像头和人脸识别模块。这些元素占用空间,不美观。为了隐藏这些元素,需要对用于3D传感的波长进行转换,以便光线穿透显示器。

YOLE预计VCSEL市场将从2021年的12亿美元增长到2026年的24亿美元,2021-2026年期间的复合年增长率为13.6%。该市场由移动和消费市场主导,将从2021年的7.97亿美元增长到2026年的17亿美元,2021-2026年期间的复合年增长率为16.4%。目前有两家公司主导了VCSEL市场:Lumentum和II VI占据了VCSEL市场的80%左右。

由于Android玩家越来越少地采用3D传感模块,智能手机的收入预计在2021年和2022年将保持稳定。2021年,只有苹果公司正在实施VCSEL并开发AR应用程序。这将在两年内创造一个相对平坦的市场。在这之后,Android玩家的增长可能会恢复。

数据通信是第二大市场,预计2021年将产生4.3亿美元的收入,2026年将达到5.66亿美元,复合年增长率为5.6%。

汽车市场在2021年相当小,收入为110万美元,但预计2026年将达到5700万美元,复合年增长率为122%,应用于激光雷达和驾驶员监控。

工业应用预计将在2021年产生1600万美元的收入,2026年将达到2100万美元,复合年增长率为6.3%。

随着使用3D激光雷达的应用的出现,工业收入可能会在中期起飞。这些应用将与智能基础设施和物流相关。

OLED显示器似乎对SWIR光是透明的,大约在1300到1400纳米之间。从940nm到此类短波红外光(SWIR)波长的转变将对组件和供应链产生深远影响。另一个趋势正在出现:在OLED显示器下集成3D传感模块,这可能会打破传统的制造链。

对于940nm,VCSEL由6英寸GaAs晶片制成。SWIR VCSEL应以InP为基础,因为InP更难加工,目前的制造是在2英寸和/或3英寸晶圆上完成的。VCSEL制造业从4英寸发展到6英寸,并可能很快发展到8英寸。

Yole研究人员表示,影响不仅限于光源,还包括接收器,在近红外区域使用硅基SPAD,硅不能再用于SWIR区域。SPAD必须基于InGaAs材料或使用量子点。在这两种情况下,这项技术仍在发展,制造产量低,零部件的可用性有限。这将导致发射器和接收器的组件成本增加。只有苹果,其智能手机的ASPs高于1000美元,才能承受这样的技术变革。

智能手机并不是技术发展的唯一应用。汽车应用,特别是激光雷达,将受益于最近的发展。新的多结技术代表了VCSEL行业的下一个飞跃。

多结VCSEL为用户提供了许多显著的好处。背面发射配置的多结VCSEL与传统的同类VCSEL相比有几个优点。消除导线键合将提高VCSEL性能,并允许使用微透镜来实现更紧凑的封装。

2   2021-08-24 15:08:05.803 富士胶片将在3年内向EUV光刻胶等领域投资700亿日元 (点击量:18)

根据日经中文网消息,富士胶片控股公司,将在3年内向半导体材料业务投资700亿日元,约41.44亿元人民币。这一投资额比上一个3年增加了4成。具体来看富士胶片的主要投资对象是光刻胶,尤其是适用于5nm及以下制程的“EUV光刻胶”。

在EUV光刻胶领域,日本企业的市场占比达到了90%。美国市场调查公司TECHCET的数据显示,2021年EUV光刻胶市场规模预计为5100万美元,未来将继续发展。

外媒表示,富士胶片在日本、美国、欧洲、韩国和中国拥有11家工厂,除了光刻胶还能够生产“CMP研磨液”等6种用于半导体芯片制造的化学材料。这700亿日元包含设备投资及研究开发费用等。

3   2021-06-27 16:04:41.2 英国开放O-RAN实验室 (点击量:20)

2021年6月24日,英国启动了一个新实验室,SONIC Labs,以加快 5G 通信套件的开发并帮助英国实现供应链多元化。该实验室将专门用于O-RAN测试和验证,旨在引入多家供应商为5G无线电设备提供组件。

SONIC实验室将有助于“Open RAN”技术的加速采用,英国政府给予了100万英镑的支持,这是该政府5G多元化战略的主要支柱。该战略旨在建立一个新的更安全的供应链,以适应未来实局变化,减少对少数跨国供应商的依赖,以便新的供应商可以进入英国电信市场。

Open RAN 技术将结束只有一个供应商的技术可用于电信网络运行的垄断情况。它将实现组件的通用,如来自不同电信供应商的组件可以在桅杆上进行交换或互相替代,但是到目前为止,桅杆是由单一供应商配备的。

SONIC Labs位于伦敦和布莱顿,将使电信设备制造商能够检查他们的套件在完全可互操作、技术中立的移动网络中的表现。它还鼓励新的供应商进入英国电信供应链,推动公共网络的创新。

该实验室由 Ofcom 和 Digital Catapult运营,来自 DCMS 的100 万英镑为该实验室的种子资金,他们使用现有的 Digital Catapult 基础设施建造了该实验室。SONIC Labs 将与各种供应商合作,探索电信网络的新开放方法,包括 Accelleran、Mavenir、Radisys、Benetel、Phluido、Druid 和 Effnet。

4   2021-06-27 15:55:34.51 II-VI 推出用于150mm SiC 晶片的加热离子注入代工服务 (点击量:22)

全球工程材料和光电器件领导者II-VI公司宣布推出用于150毫米SiC晶圆的加热离子注入代工服务。II-VI总部位于美国宾夕法尼亚州萨克森堡,是一家垂直整合的制造公司,主要生产碳化硅(SiC)衬底,并为微电子行业提供离子注入代工服务。

II-VI 指出,人们对清洁能源的需求日益增长,这在加速全球能源和交通基础设施的电气化,并推动高可靠性电力电子设备的发展。因此,该公司现在为150mm SiC晶圆提供离子注入代工服务和支持。II-VI 表示,其离子注入工艺可在高达 650?C 的温度下运行,以动态退火晶体结构并消除缺陷,从而实现高度可靠的电力电子设备,并且该工艺可在深度和浓度方面都提供高水平掺杂精度。

New Ventures & Wide执行副总裁 Sohail Khan 表示:“II-VI 是世界上第一家为150 毫米碳化硅晶圆提供这种先进离子注入代工服务的公司,计划在未来扩展到200毫米。II-VI 的新型离子注入工艺非常通用,可提供从 10keV 到 1MeV 的广泛能量范围,对于各种化合物半导体晶片材料和器件选择可以加热或不加热。该工艺与多种材料兼容,包括具有特殊用途的硅和金刚石,以及可以集成到晶圆级光学平台的材料。”

II-VI 表示,该公司每周植入数以万计的晶圆,并根据需要调整工具和产能以支持客户不断变化的需求,可以在需求紧急高峰期提供产品,改善周转。II-VI专有的技术特长、质量计划和丰富的工具为离子注入提供了灵活的外包选择,可以更好的服务于生产制造和研发环境。

II-VI 拥有可大量处理2英寸至 12 英寸基板的高、中电流和高能量生产注入机。该公司的晶圆代工服务范围包括碳化硅、砷化镓和磷化铟外延生长。它还提供离子注入磁盘翻新和修复服务,以最大限度地提高质量、利用率和延长正常运行时间。

5   2021-06-27 15:52:25.58 Porotech筹资300万英镑用于开发micro-LED生产技术 (点击量:1)

氮化镓材料技术开发商Porotech已筹集了 300 万英镑的资金,将用于其micro-LED生产技术的进一步开发。该轮融资由欧洲风险投资基金Speedinvest领投,之前的投资者IQ Capital、Cambridge Enterprise、Martlet 和 Cambridge Angels 跟投。

Porotech表示,Micro LED是智能手机、智能手表和虚拟现实/增强现实(VR/AR)耳机等产品中显示中的代表技术。在户外环境中,阳光通常会让人眼难以看清显示器,然而,现有的Micro LED 技术能让亮度随着器件尺寸的减小而得到优化。

Porotech创造了一类新的多孔 GaN 半导体材料,可实现大规模生产中的性能改进,并可根据个别客户的需求进行定制。Porotech首席执行官兼联合创始人朱博士表示:“多孔 GaN 基本上是具有几十纳米宽的小孔的 GaN。这是一个全新的工程 GaN 材料平台,可用于构建半导体器件。该平台提供了适合大规模生产、可扩展晶圆尺寸的性能改进,对于下一代微显示设备至关重要,如 AR 眼镜等。”

Porotech 下一步准备扩展其新方法,将基于 InGaN 的红色、绿色和蓝色(RGB)micro-LED集成到全彩微型显示器中,最终创建可以独立控制的智能像素,以提高响应速度和准确性。

目前,正在测试的智能像素技术主要基于磷化铝铟镓(AlInGaP)材料和量子点颜色转换 (QDCC)。但 AllnGaP暂时无法满足AR小像素尺寸的要求,而 QDCC 则存在均匀性和稳定性的问题。这两种方法都需要不同材料的混合物。

Porotech 的新方法使所有三种原色都可以使用相同的GaN 材料制成,并集成在单个晶片上,无需特殊结构。该公司还计划开发供应链生态系统,以更快地开发和生产产品。

该公司表示智能像素将是其下一个发展方向,希望可以在单个晶圆上单片生成和集成原生自发光 RGB micro-LED,以提供更小、更轻、更薄的显示器,减少耗能,并提供更高的准确性,满足 AR 手势等应用的需求。

Porotech是由英国剑桥大学剑桥氮化镓中心分拆而来,虽是自2020 年 1 月开始运营,但已经实现10 个月的创收,并表示正在与一些显示技术领域的全球知名企业合作。2020年11 月,该公司推出了世界首款用于Micro-LED应用的商用原生红色氮化铟镓 LED外延片。

6   2021-06-27 15:47:11.223 MEMS传感器和执行器的销售额预计在今年将增长约 16% (点击量:1)

根据 IC Insights 发布的2021光电、传感器和分离式元件(O-S-D)市场调查报告指出,采用微机电系统(MEMS)技术制造的半导体传感器和执行器的销售额在2020 年增长11%后,预计在2021年将实现约 16%的增长,达到创纪录的 159 亿美元。

基于 MEMS 的压力传感器、麦克风芯片、加速度计、陀螺仪设备和执行器的总销售额预计每年将以两位数的百分比增长,直到2024 年,即下一次周期性经济放缓时间,预计增长速度将降至4%,随后2025年回温和反弹 9%。

2020 年下半年,在关键终端市场出现稳定和复苏的迹象后,制造商们迅速开始补充库存,因此基于 MEMS 的传感器、执行器产品表现出迅速的复苏增长。

2020年至2025年间,基于 MEMS 的传感器和执行器的销售额预计将以11.8%的复合年增长率增长至241亿美元,出货量将以13.4%的复合年增长率增长至321亿件。

包含MEMS换能器结构和电路功能的半导体传感器在全球销售额中占据了半壁江山,而执行器则几乎占据了全部,以实现终端应用。2020年,在总价值165亿美元的传感器、执行器市场中,约有 83% 的销售额来自采用 MEMS 技术构建的设备。

2020 年全球出货的309亿个传感器和执行器中,约有55%包含MEMS。基于MEMS传感器和执行器的销售额中,每年大约44%来自汽车应用。

7   2021-06-25 10:14:20.28 格芯公司宣布在新加坡投资40亿美元新建一座晶圆厂 (点击量:1)

在新加坡经济发展局和需求企业的资助下,格芯公司宣布投入40亿美元在新加坡新建一座晶圆厂。

格芯公司的数据显示,未来8年,全球半导体收入预计将增长2.1倍,该公司已计划在所有生产基地进行产能扩张,目前在美国、德国和新加坡的300毫米晶圆厂进入扩张的第一阶段。

格芯公司表示,该项目建成后,其产能每年将增加45万片晶圆,新加坡校区每年的晶圆产量将达到150万片(300毫米)。

新的晶圆厂将是新加坡最先进的半制造工厂,并将提高GF提供射频、模拟电源、非易失性存储器产品的能力。

格芯公司正在增加250000平方英尺(23000平方米)的洁净室空间和新的行政办公室。

新的工厂将创造1000个新的?技术人员、工程师等高价值工作?还有更多。

随着建设的进行,工厂计划在2023年开始投产。

8   2021-06-25 11:39:31.1 石墨烯鼓:一种新的声子激光器设计 (点击量:1)

莫斯科电子与数学研究所(MIEM-HSE)的Konstantin Arutyunov教授与中国的研究人员共同开发了一种基于石墨烯的机械谐振器,在这种谐振器中诱导了声能量子或声子的相干发射。这种被称为声子激光器的器件在信息处理以及材料的经典和量子传感方面有着广泛的应用潜力。

有些物质在受到辐射时,会发出波长、相位和偏振相同的光子。这一过程被称为受激发射,由阿尔伯特·爱因斯坦在一个多世纪前预言,是我们都知道的激光装置的基础。第一批激光器是大约六十年前建造的,它们已经在我们生活的各个领域中牢固地确立了地位。

类似的过程,包括“相同”声子的发射,是一种被称为声子激光器(saser)的装置的基础。事实上,它和激光是同时被预测的,但是在很长一段时间里,只有少数实验实现被开发出来,而且没有一个在工业上得到广泛的应用。

镁离子、半导体、具有微腔的复合系统、机电谐振器、纳米粒子以及许多其他物质和系统在过去十年中被用作声子激光器的活性介质。与以往的研究不同,本研究使用石墨烯来产生相干声激励。由于石墨烯的独特性质,这种谐振器具有广泛的应用前景。

石墨烯谐振器是用微光刻技术制作的:在硅衬底上沉积一层光敏聚合物薄膜。利用紫外光,在基板上“绘制”出某种结构,随后通过等离子体处理形成微腔的重复系统。经过处理的基板上覆盖着一层石墨烯,这种“鼓”系统的行为就像一个谐振器,也就是说,如果外部振动以一定的频率产生,它就会放大。

如果用特定波长的激光照射这种“鼓”,光子就会在硅衬底和石墨烯之间反复反射,从而形成光学腔,在那里产生适当频率的机械振动。

在实验上,研究人员研究了一种纳米结构,它是一种由碳单原子层或石墨烯构成的固定膜。原子或声子的振动通过暴露于外部光辐射而被激活。这项研究预计将继续进行,因为是对超小型物体的物理学研究,并有可能创造新一代量子光机传感器和传感器。

该成果以“Phonon lasing with an atomic thin membrane resonator at room temperature”发表在《Optics Express》,原文链接:https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-11-16241&id=450960

9   2021-06-25 11:16:24.88 激光驱动半导体开关推动下一代通信速度 (点击量:3)

激光驱动的半导体开关设计理论上可以实现比现有光导器件更高的速度和电压——如果开关要小型化并并入卫星,就有可能实现5G以上的通信速度。这项技术是通过美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)和伊利诺伊大学Urras-ChanaPiange(UIUC)的联合研究努力来构思的。研究小组的设备使用高功率激光器在极端电场下在基底材料氮化镓中产生电子电荷云。

与普通半导体不同的是,随着外加电场的增加,电子移动得更快,氮化镓表现出一种称为负微分迁移率的现象,即产生的电子云在云的前部减慢。研究人员说,这使得该装置在暴露于电磁辐射时,能够产生频率接近1太赫兹的极快脉冲和高压信号。

这个项目的目标是制造一种比现有技术更强大的设备,同时也能在非常高的频率下工作。在一种独特的模式下工作,在这种模式下,输出脉冲的时间实际上可以比激光器的输入脉冲短——几乎就像一个压缩装置。可以将光输入压缩成电输出,这样就有可能产生极高速度和高功率的射频波形。

研究人员表示,如果论文中描述的交换机能够实现,它确实可以被小型化,并被纳入卫星中,以实现5G以外的通信系统。这将有可能以更快的速度远距离传输更多的数据。高功率和高频技术是固态器件尚未取代真空管的最后几个领域之一。新的紧凑型半导体技术能够超过300千兆赫,同时提供一瓦或更多的输出功率是在这种应用的高需求。虽然一些高电子迁移率晶体管能够达到高于300ghz的频率,但它们的能量输出通常受到限制。这一新开关的建模和仿真将为实验提供指导,降低测试结构的成本,通过防止试验和错误提高实验室测试的周转率和成功率,并使实验数据得到正确解释。”,

这个小组正在LNN建造交换机。它也在探索其他材料如砷化镓,以优化性能。研究人员表示,砷化镓在比氮化镓低的电场下表现出负的微分迁移率,因此这是一个很好的模型,可以通过更容易的测试来理解这种效应的利弊。

该项目是由实验室指导的研究和开发项目资助的,目的是演示一种能够在100ghz和更高功率下工作的传导装置。该小组报告说,未来的工作将研究激光加热对电子电荷云的影响,以及在电光模拟框架下提高对器件运行的理解。

该研究成果以题名“Design and Simulation of Near-Terahertz GaN Photoconductive Switches–Operation in the Negative Differential Mobility Regime and Pulse Compression”发表在IEEE Journal of the Electron Devices Society,原文链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9424182

10   2021-08-11 10:31:42.947 BluGlass演示了第一个RPCVD隧道结激光二极管 (点击量:1)

澳大利亚Silverwater的BluGlass有限公司——开发低温、低氢远程等离子体化学气相沉积(RPCVD)技术,用于制造激光二极管等设备,下一代LED和微型LED–表示,该公司已使用其专有的RPCVD技术首次证明了隧道结激光二极管的工作原理。

新型激光二极管原型利用BluGlass独特的RPCVD隧道结技术,多年来开发用于高功率产品,包括激光二极管和高亮度LED。

BluGlass说,RPCVD隧道结激光二极管原型旨在实现更高功率和更高效的激光器,用于3D打印和工业焊接等商业应用,其激光性能良好,帮助确认RPCVD激光二极管设计的潜力,以满足高值氮化镓(GaN)激光二极管应用的关键性能要求。

GaN激光二极管的应用目前受到含镁p型层中光学和电阻损耗的限制,这导致转换效率低(通常为40-45%,而GaN基LED中的转换效率接近90%)。由于高电阻p型层,在操作GaN激光二极管时消耗的功率几乎有50%以热的形式损失,传统上需要在激光二极管中创建电路。

BluGlass表示,利用低温、低氢RPCVD生长的优势,其新方法可以消除对这些高电阻和性能损失的p型层的需求。支持RPCVD的新型设计将p型熔覆层替换为RPCVD隧道结和第二个n型熔覆层(双n波激光二极管),为未来显著改善激光二极管性能铺平了道路。

BluGlass表示,将继续优化其RPCVD隧道结激光二极管的设计、外延和制造,以最大限度地提高激光性能。

执行主席詹姆斯·沃克认为:“这是对我们独特的RPCVD和隧道连接技术潜力的重要验证。”这一成就证明了我们的领先团队在开发一系列创新激光二极管产品方面的努力,包括这一世界上第一个双n波激光器的演示,”他补充道。

“虽然这些新型激光器在未来RPCVD增强型产品发布之前需要进行重大开发,但我们的显著进一步的先进标准(MOCVD)激光二极管产品开发继续专注于解决可靠性问题,并在向等待的客户发布商业产品之前改进我们的下游生产。”

11   2021-07-27 16:26:02.687 美国研发出一款新型热管理材料,可减少处理器上热量的积聚 (点击量:1)

在大多数电子系统中,大量的废热通过一系列具有热阻的器件层和接口从热点散发到散热器。大的热阻和由此升高的热点温度会降低器件的工作性能,因此热管理是半导体工业中的一个重要技术挑战。最近关于改善散热的研究主要集中在更换普通衬底(如碳化硅、硅和蓝宝石)和高导热(HTC)材料,以降低整体热阻。高性能热管理的一个关键挑战是实现HTC与电子结附近的低热边界电阻(thermal boundary resistance,界面对热流的电阻)的结合。

金刚石是目前领先的研究原型HTC材料的高性能电力电子冷却。研究表明,与传统的射频(RF)系统相比,氮化镓(GaN)-金刚石器件的热点温度降低。然而,GaN-diamond界面的总热阻很低,影响了金刚石在热管理方面的应用潜力。传统的高温超导材料也受到热性能和其他固有问题的限制。例如,金刚石和立方氮化硼由于其高温高压合成要求、生长速度慢、成本高、质量劣化以及难以与半导体集成而在应用上具有挑战性。因为具有很弱的跨平面范德华键合,石墨具有很强的各向异性和机械柔软性。石墨烯和纳米管等纳米材料可以作为各种材料的良导体,但当以实际尺寸集成时,由于环境相互作用和无序散射,它们的热导率会下降。

近年来,基于从头计算理论(ab initio theory)在实验上开发出了新的化合物半导体,其热导率超过了一般的热导体。磷化硼(BP)和砷化硼(BAs)的各向同性热导率分别为500 W m-1 k-1和1300 W m-1 k-1。BAs的机械和热物理性能已被测量为与功率半导体高度兼容,这是器件集成所需要的。BAs和BP与其他材料层的异构集成和表征对于在热管理应用设备中的未来实现至关重要,但这些尚未被探索。

美国加州大学洛杉矶分校研究人员报道了BAs和BP与其它金属和半导体材料的界面特性和集成,并通过材料表征、光谱测量和原子声子输运理论模拟研究了这些界面的散热性能和机制。由于其独特的声子能带结构,BAs和BP表现出高HTC和低TBR的结合。

研究人员使用变质异质外延技术发展GaN-on-BAs结构,并测量了250 MW m-2 k-1的热边界电导,通过使用具有可变宽度热源的GaN–BAs结构的实验数据来确定和研究GaN晶体管的热点温度,并开发了器件集成并提供了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(hemt)的实验测量,验证了BAs优越的冷却性能。

图1 电子热管理采用集成HTC材料作为冷却基板,以改善散热

该研究成果发表在《Nature Electronics》,2021,4:416–423, 题目:“Integration of boron arsenide cooling substrates into gallium nitride devices”。

12   2021-07-09 10:21:56.137 中国制备出适合射频应用的半导体阵列碳纳米管材料,首次将碳纳米管射频器件的工作带宽提升到太赫兹领域 (点击量:1)

近日,北京大学电子学系、碳基集成电路研究院张志勇-彭练矛团队在碳基射频电子器件研究中取得重要进展,研究成果再次引领全球。该团队制备了适合射频应用的半导体阵列碳纳米管材料,并在此基础上首次将碳纳米管射频器件的频率上限提升至太赫兹领域,真正展示了碳纳米管器件的高速高带宽和增益线性度优势。该研究成果于6月21日在国际著名学术期刊《自然·电子学》以封面论文形式发表。

团队研究成果以《基于阵列碳纳米管的射频晶体管器件》为题刊发。北京大学纳光电前沿交叉学科研究院博士生石惠文,北大电子学系、北京碳基集成电路研究院丁力与仲东来博士和韩杰工程师为并列第一作者。北京大学电子系碳基电子学研究中心、北京碳基集成电路研究院张志勇教授和彭练矛院士为共同通讯作者。

图1阵列碳管与制备和表征

值得关注的是,该研究成果充分展现了碳管在射频电子学上的优势和潜力。意味着在即将到来的第六代移动通信技术(6G)时代,碳基将会提供速度更快、性能更强、集成度更高、能耗更低的核心芯片技术。未来,不论是个人移动设备还是工业互联网,甚至是遥远的天宫空间站也很有可能拥有“极速WiFi”。

研究人员表示,全球各大顶级院校的碳基研究团队在射频器件研究中遇到的最大难题在于材料,制备出高迁移率、高密度和高纯度的碳管阵列是研究中的重中之重,材料问题不解决则很难实现性能上的突破。在5G、6G时代,工业互联网将得到长足的发展。届时,无论是无人驾驶还是工厂自动化,由于需要处理海量的数据,都要有超级强大的底层器件。而且该种器件构建的系统必须要具备更快的数据传输速度,更大的数据吞吐量以及更复杂的电路集成度。碳基射频是一个非常好的选择。随着未来技术的成熟,碳基SoC集成技术将成为工业互联网、航空航天等领域的有力支撑。

13   2021-08-24 14:13:41.327 基于TEAM 0.5电子显微镜编译的3D原子分辨率图像揭示原子动力学行为的新方法 (点击量:1)

近年来,领先的电子显微镜和催化研究人员一直致力于确定化学过程中纳米颗粒催化剂中原子的三维排列。他们的工作将实验测量与数学建模相结合。

到目前为止,人们一直认为纳米颗粒中的原子在观测过程中是静态的。但研究人员对三维原子尺度图像的分析表明,最初的预期是不够的。研究人员用一种新的分析方法揭示了原子的动力学行为。研究人员选择使用一种众所周知的催化纳米材料,即二硫化钼。由于该材料的原子结构是众所周知的,为研究人员使用劳伦斯伯克利国家实验室独特的TEAM 0.5电子显微镜编译的3D原子分辨率图像提供了良好的基础,该显微镜提供了世界上最高的皮米级分辨率。

这一新方法可以识别和定位纳米颗粒中的单个原子,即使它们在振动和移动,研究成果发表在《自然通讯》上。

新模型确保了原子的识别

该数学模型使得识别纳米颗粒中的单个原子成为可能,即使它们在移动。该模型测量图像中原子的强度和宽度。

新的模型还可以纠正电子显微镜中高能电子照明引起的纳米颗粒振荡形式的改变。因此,它将使人们有可能专注于图像中隐藏的化学信息,一个原子一个原子地进行研究,这是研究的本质。

下一步是测量功能

研究人员希望这一新的突破性模型能被他们领域内的其他研究人员所使用。该模型还将为丹麦技术大学VISION的新基础研究中心提供基础。

在这里,重点将是将原子分辨图像与纳米颗粒催化性能的测量相结合。所产生的知识将有助于开发用于催化过程的纳米颗粒,作为向可持续能源过渡的一部分。

论文信息:Fu-Rong Chen et al, Probing atom dynamics of excited Co-Mo-S nanocrystals in 3D, Nature Communications (2021).

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-24857-4

14   2021-08-19 17:00:49.85 用整体方法研究下一代电介质材料 同时改进多个特性 (点击量:1)

自第二次世界大战以来,我们的电气基础设施基本保持不变,但技术(特别是材料)的进步为我们打开了过去从未想过的大门。重新设计至关重要,因为我们每天都在给电网施加更多压力,要求更快的计算机处理,并推动电力运输。为这些设备和基础设施供电的先进微型半导体会产生大量热量,从而导致它们发生故障。这些设备还需要与元件进行电气隔离和保护。

随着设备和基础设施的不断进步,世界范围内正在开发新型电绝缘材料,以满足不断增长的性能和可靠性需求。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员与美国陆军研究实验室合作,正在分析用于电气绝缘或包装的新材料,与当今的绝缘材料相比,这种材料可以更有效地散热。

据TechXplore 8月13日消息,得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员与美国陆军研究实验室合作,正在分析用于电气绝缘或包装的新型纳米复合材料材料,与当今的绝缘材料相比,这种材料可以更有效地散热。这类新材料由含有纳米颗粒的聚合物制成,旨在达到与金属相当的热性能水平,同时保留聚合物重量轻、不易腐蚀、更容易制造的优点。其中一些最有前途的材料的热导率是传统聚合物的近100倍。相关研究成果发表在《Proceedings of the IEEE》期刊上。

研究人员认为,在非常显著的热量产生、高电压以及在极端温度下,仅提高导热性还不够,需要对材料和多功能材料有更全面的了解,才能满足电气、热学和机械要求。

仅关注一种特性,例如导热性,不足以从电子设备中获得必要的性能和使用寿命。而是需要确保材料具有大电阻、耐受极端温度、处理机械应力的能力和耐湿性等。材料开发人员面临的巨大挑战是同时改进所有这些特性,而不是目前的一次一个方法。

研究人员表示,以前从未对这些新纳米材料进行过全面评估,这篇文章是未来材料开发的路线图。研究人员从工程和可靠性的角度为材料界提供了批判性的审查和观点。

如果以整体方式推进电气绝缘,可以看到生活的许多方面都有所改善。一个可靠的、基于可再生能源的电网,不会过热的、更快的笔记本电脑处理器,使用空气而不是稀缺的水资源来冷却发电厂,甚至可以使用能够承受起飞过程中产生的极端热量的电缆过渡到电动航空。

鉴于全球对这些材料广泛应用的兴趣,未来的进展可以而且应该迅速展开。研究人员预计这种先进的多功能材料技术最早可能在 2030 年实现。

原文信息:Manojkumar Lokanathan et al, Review of Nanocomposite Dielectric Materials With High Thermal Conductivity, Proceedings of the IEEE (2021).

原文链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9464768

15   2021-08-11 10:43:46.617 超材料研究挑战了光子学的基本极限 (点击量:2)

康奈尔大学的研究人员正在提出一种实时调节超材料的吸收和折射性质的新方法,他们的发现为在时间和空间上控制波的传播和散射提供了有趣的新机会,可应用于波物理和工程的各个领域。

这项理论工作旨在扩大超材料吸收或折射电磁波的能力。以前的研究仅限于修改吸收或折射,但康奈尔大学研究小组现在已经表明,如果实时调整这两种性能,超材料的有效性可以大大提高。

这些时间调制的超材料,有时被称为“计时超材料”,可能会带来未经探索的机会,并推动电磁学和光子学的技术进步。

这一发现可能导致开发出新的超材料,其波吸收和散射特性远远优于目前可用的超材料。例如,宽带吸收体的厚度必须大于某个值才能有效,但材料厚度将限制设计的应用。

研究人员表示:“要减小这种吸收体的厚度并增加其带宽,就必须克服传统材料的局限性。”绕过这些限制的方法之一是通过临时调整结构。”“我们试图做的不是对技术进行渐进式的改变。”我们想要颠覆性的改变。这才是我们真正的动力。那么,我们如何才能对这项技术做出巨大的改进,而不仅仅是渐进式的改进呢?要做到这一点,通常你必须回到基本面。”我们的发现,以及在这一领域工作的其他研究人员令人兴奋的结果,突出了时变超材料为经典和量子电磁学和光子学提供的许多机会。”

研究团队的目标是开辟新的研究领域,以产生越来越有效的实际应用。

这项新的研究通过使用另一个自由度(即时间调制)来突破电磁波吸收的极限,这在这一领域并不常见,但现在正受到越来越多的研究关注。

有了新的理论基础,在实验上实现这种时间调制是进一步研究的挑战。物理实验首先需要设计一种机制来控制材料的吸收和折射质量随时间的变化,这可能包括激光束或微波组件。

这些想法对一些应用有直接的影响,例如宽带雷达吸收、时间隐身和隐身。应用还可以扩展到波物理的其他领域,如声学和弹性动力学。

16   2021-07-27 16:31:08.963 可在柔性材料上生产出原子级薄晶体管的制造技术 (点击量:2)

物联网(IoT)设想的是,电子产品存在于人类日常生活的方方面面,为周围的机器、环境以及人类身体提供信息。为此所需的一些设备可以用硬硅制造,但也需要具有非平面形状因子的、薄而轻电子设备,可以与形状不寻常的物体、人体皮肤上的物体或植入体内的物体共形连接。这将需要纳米级的柔性电子器件,它们对机械应变具有鲁棒性,易于集成,并且具有低功耗和高性能。随着技术的进步,“柔性电子学”越来越接近现实。柔性电子产品可弯曲、可塑形且有高效的计算机电路,可穿戴或植入人体,执行与健康相关的任务。

二维(2D)材料由于其缺乏悬空键、原子薄(亚1纳米)层中良好的电子或空穴迁移率、较低的短沟道效应以及能够转移到不同衬底的能力,是柔性电子学的良好候选材料。单分子膜过渡金属二卤化物(tmd)如MoS2由于其电子带隙(~2)非常适合于低功耗应用 ,可实现低关断状态电流。然而,具有纳米级特征的高性能柔性TMD场效应晶体管的开发具有挑战性,因为难以在柔性衬底上产生如此小的沟道长度,并且TMD转移过程可能导致原子薄材料的污染或损坏。

多年来,超薄、灵活的计算机电路一直是个工程目标,但技术障碍阻碍了实现高性能所需的设备小型化程度。现在,美国斯坦福大学的研究人员发明了一种制造技术,可在柔性材料上生产出长度不到100纳米的原子级薄晶体管。

研究人员在一层涂有玻璃的实心硅板上,形成了一个原子级的2D半导体二硫化钼薄膜,上面覆盖着微小的纳米图案金电极。由于该步骤是在传统的硅基板上进行的,因此可以使用现有的先进图案化技术对纳米级晶体管尺寸进行图案化,从而实现在柔性塑料基板上无法达到的分辨率。

化学气相沉积的分层技术,一次只生长1层原子的二硫化钼薄膜,厚度相当于3个原子,但需要温度达到850摄氏度才能工作。相比之下,由聚酰亚胺制成的柔性基板在360摄氏度左右就会失去形状,在更高的温度下会完全分解。

斯坦福大学的研究人员首先在坚硬的硅上形成这些关键部件的图案,并让它们冷却,这样就可以在不损坏的情况下应用这种柔性材料。只要在去离子水中简单“洗个澡”,整个设备堆叠就会剥离,完全转移到柔性聚酰亚胺上来。

经过一些额外步骤后,研究人员制造出了柔性晶体管,其性能比以往用原子薄型半导体生产的任何晶体管都高出几倍。研究人员说,虽然可以构建整个电路,将其转移到柔性材料上,但后续层的某些复杂情况使得转移后这些额外的步骤变得更容易。

最终,包括柔性聚酰亚胺在内的整个结构只有5微米厚,约是人类头发的十分之一,这意味着可在给定面积内安装更多晶体管。同时,这些设备能在低电压下运行时处理高电流,高性能、速度快、功耗低,且过程中可散热。

图1 带有触点的2D单分子膜的转移过程

斯坦福大学团队正在研究将无线电电路与设备相结合,这尤其对于那些植入人体内或深度集成到其他物联网设备中的设备将是又一次技术飞跃。

该研究成果发表在《Nature Electronics》, 2021,4:495–501, 题目:“High-performance flexible nanoscale transistors based on transition metal dichalcogenides”。

17   2021-07-13 17:03:16.46 在纯自旋的准二维系统中发现量子相变 (点击量:2)

纯量子系统可以经历类似于水的液态和气态之间的经典相变。然而,在量子水平上,粒子自旋在相变中出现的状态显示出集体纠缠行为。这一意想不到的观测结果为生产具有拓扑性质的材料提供了一条新的途径,这种材料在自旋电子学应用和量子计算中都很有用。这一发现是由巴西圣保罗大学物理研究所(IF-USP)教授胡里奥·拉里亚(Julio Larrea)领导的国际合作团队完成,发表在《自然》期刊上。

图1SrCu2(BO3)2自旋体系相图,显示在绝对零度一阶转变开始。一阶转变在临界点结束,类似于水的图。然而,与水不同的是,在自旋系统中出现了一个新的有序态,它是纯量子且强相关的:反铁磁态。

研究人员获得了一阶量子相变的第一个实验证据,它是完全由自旋组成的准二维系统。这是一项从实验发展和理论解释两方面进行的开创性研究,将有助于考察经典相变(以水的状态变化为例)及其量子模拟(以Mott金属-绝缘体相变为例)。

在临界点附近,由于原子长度尺度上密度波动是无限相关的,水的性质表现出不正常的行为。因此,该材料显示出一种独特的状态,它与气体和液体不同。在临界点附近,水的性质表现反常,因为密度涨落在原子长度尺度上是无限相关的。因此,材料表现出一种不同于气体和液体的独特状态。

下一步研究工作是找到更多关于临界点附近出现的临界态和纠缠自旋态,不连续和连续量子相变的本质,以及代表电子自旋和电荷之间的相互作用和关联的能量尺度,这些电荷导致了量子态,如超导。

论文信息:J. Larrea Jiménez et al, A quantum magnetic analogue to the critical point of water, Nature (2021).

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03411-8

18   2021-07-09 10:58:14.6 哈佛大学、麻省理工学院等跨机构研究团队开发出256个量子位的量子计算机 (点击量:2)

来自哈佛-麻省理工学院超冷原子中心和其他大学的一个物理学家团队开发了一种特殊类型的量子计算机,称为可编程量子模拟器,能够操作256个量子位。这一系统标志着朝着建立大规模量子机器迈出了重要一步,可以用来揭示一系列复杂的量子过程,并最终帮助在材料科学、通信技术、金融和许多其他领域实现现实世界的突破,克服了当今最快的超级计算机所无法克服的研究障碍。量子位是量子计算机运行的基本构造块,也是其强大处理能力的来源。

该研究的主要作者,文理学院物理系学生Sepher Ebadi说,正是由于系统空前的规模和可编程性,使它在量子计算机竞赛中处于领先地位,它在极小的尺度上利用了物质的神秘特性,极大地提高了处理能力。在适当的情况下,量子位的增加意味着系统可以存储和处理比标准计算机运行时使用的经典位多得多的信息。

这个模拟器已经让研究人员观察到了一些以前从未在实验上实现过的奇异量子态,并进行了精确的量子相变研究,从而成为磁性如何在量子水平上起作用的教科书范例。这些实验提供了关于量子物理的材料特性的有力见解,并能帮助科学家们设计出具有奇异特性的新材料。通过将它们排列成连续的帧并拍摄单个原子的图像,研究人员甚至可以制作有趣的原子视频。

该项目使用了研究人员在2017年开发的一个平台的显著升级版本,该平台能够达到51个量子位的大小。这套较老的系统使研究人员能够捕获超冷铷原子,并使用一种称为光镊的一维单独聚焦激光束阵列按特定顺序排列它们。

这个新系统允许原子被组装成二维光镊阵列。这将可实现的系统大小从51个量子位增加到256个量子位。利用镊子,研究人员可以将原子排列成无缺陷的图案,并创建可编程的形状,如正方形、蜂窝状或三角形晶格,以设计量子比特之间不同的相互作用。

研究人员利用420毫米激光控制和纠缠里德堡原子

这个新平台的主力是一种叫做空间光调制器的装置,它用来形成一个光学波前,产生数百个单独聚焦的光镊光束。将原子放入光镊的初始载荷是随机的,研究人员必须移动原子,将它们排列成目标几何体。研究人员使用第二套移动的光镊将原子拖到他们想要的位置,消除了最初的随机性。激光使研究人员能够完全控制原子量子位的定位及其相干量子操作。

该研究的高级作者包括哈佛量子计划联席主任米哈伊尔·卢金、哈佛大学教授Markus Greiner教授,麻省理工学院的教授VLADAN-VuleTi,以及来自斯坦福大学、加州大学伯克利分校、奥地利因斯布鲁克大学、奥地利科学院以及波士顿QuEra计算公司的研究人员。

研究人员目前正致力于通过改进激光对量子位的控制并使系统更具可编程性来改进系统。他们还积极探索如何将该系统用于新的应用,从探索量子物质的奇异形式到解决具有挑战性的现实问题,这些问题可以自然地编码在量子比特上。

19   2021-08-25 15:58:55.753 首次发现偶极量子气体的二维超固体性质 (点击量:4)

超固体的特性确是将固体的有序结构与超流体的特性相结合,即熵为零,黏度为零,无摩擦力并且能像液体一样流动,同时维持其晶格结构等等。大致可以把这种现象想象为,把冰块浸没于液体水后,水流无摩擦的流过冰块表面。这种状态最初是在大块固体氦的背景下设想的,科学家们首先在低温下使用氦原子来寻找超固体。当压力变化时,这些原子可以在固相和超流体相之间转变,这表明固体和超流体行为可能共存。氦原子是观察超固体的绝佳候选者,因为根据量子力学,这种超轻原子很容易表现得像波。不幸的是,超固体氦仍然难以捕捉。尽管在固体氦中尚未观察到超固体,但在2019年,使用超冷原子气体提供了一种替代方法,仅在大约 100 纳开尔文的温度下产生的超冷原子气体是超固体的其他有希望的候选者,因为它们可以通过玻色-爱因斯坦凝聚成为超流体(一种量子力学现象),其中所有原子自发地组织成集体宏观波。通过将玻色-爱因斯坦凝聚体放入激光图案中,研究人员观察到自排列的原子阵列,表现出超流动性。然而,这些晶体的周期性由激光的波长决定,这意味着材料的晶格结构不能像传统固体那样振动。因此,此类系统缺乏超固体的某些自由度,目前仅得到沿单一方向的一维超固体。

近期由奥地利因斯布鲁克大学Francesca Ferlaino教授领导的研究人员首次报道了通过在结构相变的两个方向上制备镝原子的超固体量子气体来证明超固体性质的二维结构扩展,该研究类似于离子链、量子线和理论上在单个偶极粒子链。这开启了在高度灵活和可控的系统中研究丰富的激发特性的可能性,包括涡旋形成,以及在高度灵活和可控系统中具有不同几何结构的基态相。该报道以“Two-dimensional supersolidity in a dipolar quantum gas”发表在《Nature》。

图1. 偶极液滴阵列相位的计算

基态相图的计算

由于许多能量之间的竞争,偶极量子气体显示出一组丰富的基态和激发态现象。这些包括接触和偶极性质的平均场相互作用、量子涨落和外部限制,由潜在的各向异性俘获频率 fx,y,z参数化。通过使用扩展的 Gross-Pitaevskii 方程 (eGPE),可以非常准确地描述此类系统。 即使这些能量的强度发生细微变化,也会导致系统状态发生剧烈的质变,例如,使从均匀冷凝物过渡到超固体,或者在我们目前的情况下,从线性过渡到二维超固体。图1显示了在零温度下使用 eGPE 计算的跨该转变的基态密度分布。 这些剖面具有高密度液滴阵列,沉浸在低密度相干“光环”中,在整个系统中建立相位相干性。 对于高度拉长的陷阱,基态是相干液滴的线性链。 对于更圆的陷阱,基态发展横向结构,沿两个方向获得调制。 陷阱参数的进一步变化会产生具有额外行的状态,最终达到圆形陷阱的各向同性条件。

实验中的陷阱内密度分布

为了通过实验探索 1D 到 2D 的跃迁,作者使用限制在各向异性光学偶极陷阱内的高磁性 镝原子的凝聚物,该陷阱具有独立可调的陷阱频率 fx,y,z。 如图 2 所示,陷阱的形状像冲浪板,紧轴沿着重力和均匀磁场,定向原子偶极子并允许调整接触相互作用强度。通常,我们以所需的最终相互作用强度和陷阱参数将蒸发直接执行到我们感兴趣的状态,如参考文献中所示。 这避免了在相互作用猝灭期间可能发生的系统的激发。 陷阱内和飞行时间 (TOF) 成像的组合为我们提供了原子态密度分布和整个系统的相位相干性的互补探针。作者首先通过改变实验的后续运行之间陷阱提供的横向限制的强度来研究从 1D 到 2D 的过渡。通过光学设置允许将 fy 从大约 75 Hz 调整到 120 Hz,同时使 fx 和 fz 几乎恒定在 33(2) Hz 和 167(1) Hz,从而在垂直于外加磁场和成像轴。对于小 αt,原子被横向紧密挤压,并形成线性链超固体。对于高于临界值 α∗t=0.34(2) 的 αt,我们观察到结构相变到 2D 状态,在链的中心有两个并排的液滴。通过进一步增加 αt,二维结构以锯齿形配置延伸到两条偏移的液滴线。当我们将散射长度全局固定为 88a0 时,观察到的模式与 eGPE 计算的基态预测非常匹配,其中 a0 是玻尔半径。陷阱参数的进一步修改可以产生多于两行的液滴阵列。

相位相干的证据

上面介绍的陷阱内密度的测量表明了转变的结构性质,而不是相干性,这是非相干液滴晶体和超固体之间的关键区别特征。先前对二维液滴阵列的观察是在基态为单个液滴的陷阱中进行的,观察到的液滴晶体可能是缺乏液滴间相相干性的亚稳态。使用物质波干涉测量实验证明了我们的 2D 调制状态的超固体性质,如先前在线性超固体链中使用的(图 3)。在该测量中,均匀间隔的液滴阵列产生干涉图案,其空间周期与阱内液滴间距的倒数成正比。液滴的相对内部相位决定了干涉图案的对比度和空间相位。当对在实验的单独运行中获得的许多干涉图案进行平均时,相位相干液滴的清晰周期性调制持续存在,但如果相对液滴相位在实验试验之间发生变化,则取平均值。因此,平均 TOF 图像中周期性调制的存在提供了我们系统中超固体的清晰特征,因为它表明了周期性密度调制和相位相干性。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03725-7

20   2021-06-23 10:50:24.217 使用量子级联激光器实现私人自由空间通信 (点击量:3)

自由空间光通信(Free space optical communication,简称Free space optical communication)是一种利用光传输信息的远距离通信系统,是一种很有前途的高速通信系统。这种通信系统不受电磁干扰的影响,电磁干扰是一种由外部源产生的干扰,会影响电路并干扰无线电信号。

虽然一些研究强调了自由空间光通信的可能优势,但这种通信系统到目前为止仍有一定的局限性。最值得注意的是,其安全防范窃听者的功能是有限的。来自法国巴黎理工学院、德国达姆施塔特工业大学和美国洛杉矶加利福尼亚大学的研究团队最近推出了一种基于量子级联激光器的更安全的自由空间光通信系统,该系统是一种典型的发射中红外光的半导体激光器。

通过量子密钥分发(即基于量子物理特性)的私人自由空间通信是很有希望的,但可能还需要数年,甚至更长的时间。目前该项技术的主要限制是对低温系统的要求、非常慢的数据传输速率和昂贵的设备。

研究团队提出了一种替代先前提出的实现私有自由空间通信的系统的方法,这种系统实现了基于量子力学定律的密码协议,设计的新系统是基于使用两个单向耦合的量子级联激光器。

研究人员的方法结合了混沌同步和中红外波长的量子级联激光技术。混沌同步是半导体激光器研究的一个特殊性质。混沌同步是私人通信的关键,而中红外波长意味着大气的衰减比近红外波长低,而近红外波长是大多数半导体激光器发射的波长。此外,中红外波长意味着隐身,因为背景辐射位于同一波长域。”

量子级联激光器的中红外波长使得潜在的窃听者更难破译使用研究人员系统交换的信息。这意味着通信的安全性进一步提高。

本研究成功实现了是两个QCL之间成功的混沌同步,在这种结构中产生时间混沌的可能性一直是有争议的,因为与大多数半导体激光器相比,它们依赖不同的技术,这使得QCLs更稳定,因此不太容易发生混沌。几年前,研究人员通过实验证明了QCLs可以产生时间混沌,现在更进一步实现了基于混沌同步的私有通信。

到目前为止,研究人员仅仅描述了他们提出的系统的概念证明,两个量子级联激光器之间的距离只有一米。对于自由空间通信来说,这不是一个现实的配置。未来,研究人员希望改进系统,使之更适合于现实世界的实现,把自由通信距离增加到几百米,然后再增加几公里,以便建立一个作战系统。

除了量子级联激光器外,还有其它中红外半导体激光器,如带间级联激光器。研究人员计划用带间级联激光器重复同样的实验,以确定中红外波长下私人通信的最佳配置。

该论文以题名“Private communications with quantum cascade laser photonic chaos”发表在《自然通讯》上,原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-23527-9