这些电子材料，有望替代硅

icbank

2023-06-04

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自fierceelectronics，谢谢。

想象一个我们的电子设备更智能、更快、更轻、更灵活，并且能够突破我们认为可能的界限的世界。

随着众多竞争者的出现，电子产品的未来充满希望。

在过去的几十年里，硅为我们提供了很好的服务。然而，作为该行业长期基石的硅的统治地位现在正受到许多替代材料的挑战，这些替代材料是开启革命性进步的关键。

根据宾夕法尼亚大学设备研究与工程实验室教授Deep Jariwala 的说法，“我们已经达到这样一个地步，即使你可以继续缩小硅；它已经到了不再节能的地步。”

“尽管硅在这些极小的尺寸下工作，但进行一次计算所需的能源效率一直在上升。这使得它非常不可持续。在能源方面，它不再有意义了。”

虽然硅为我们提供了很好的服务，但很明显，现在是探索新领域的时候了。我们需要揭开提供非凡可能性的材料的秘密，并为创新的新时代铺平道路。

新材料有望塑造我们所知的世界。

随着摩尔定律突破边界，Kaul教授冒险超越硅

在高性能计算的快节奏领域，北德克萨斯大学的 Anupama Kaul 教授正在踏上开创性的旅程，以释放纳米材料的潜力并彻底改变电子行业。

Kaul 专注于二硒化钨，正在积极研究硅的替代品，以解决其效率低下和国家安全问题。

“目前，价值数万亿美元的硅电子行业正面临晶体管开关状态下能源效率低下的严峻挑战，”考尔说。“我们的笔记本电脑或 iPhone 等设备会散发大量热量。”

由于能源效率低下和摩尔定律在晶体管缩放方面的局限性，硅是价值数万亿美元的电子行业背后的动力源泉，正面临着一个关键的十字路口。

这就是 Kaul在二维层状材料(2DLM) 方面的专业知识大放异彩的地方。她设想通过将这些材料整合到芯片中来实现更高性能和更节能的计算设备的未来。

它们近乎完美的原子界面使这些材料与众不同，即使在纳米级尺寸下，电子也能无缝流动而不会造成能量损失或障碍。

但 Kaul 的研究不止于此。她深入研究量子计算，这是一种超越硅基晶体管二进制限制的范例。量子计算为并行逻辑计算和多种状态提供了潜力，挑战现状。

考尔在二硒化钨等先进材料方面的工作与旨在推动量子研究和开发的国家量子计划等国家计划保持一致。这些材料有望实现单光子发射，并可能有助于将量子计算带入芯片。

在技术领域之外，考尔的研究对国家安全和经济稳定有着深远的影响。量子计算是一个意义重大的话题，美国旨在减少对海外半导体制造设施的依赖。

虽然 Kaul 的研究仍处于早期阶段，但有证据表明未来高性能计算和量子技术会出现并共存。

潜在的硅替代品

石墨烯

石墨烯是一种流行的单层碳原子排列成二维蜂窝晶格结构。它是人类已知的最薄、最坚固的材料，具有卓越的机械、电气和热性能。

其独特的原子排列赋予它无与伦比的强度、卓越的导电性和卓越的导热性，使其有别于其他材料。

潜在应用

电子和计算。石墨烯卓越的导电性和高电子迁移率使其成为下一代电子设备的理想选择，提供更快的晶体管、低功耗电子设备以及量子计算中的潜在应用。
储能。石墨烯具有大表面积、导电性和机械强度，在储能方面具有广阔前景。它使高密度超级电容器和电池能够提供快速充电、更长的使用寿命，并有可能改变储能行业。
传感和生物传感。石墨烯对外部刺激的敏感性使其非常适合传感应用，例如环境监测、生物医学诊断和可穿戴技术，能够以卓越的精度和灵敏度检测细微的环境变化。

相关氧化物

相关氧化物表现出广泛的有趣行为，包括高温超导性、巨磁阻、金属-绝缘体转变、多铁性等。

这些现象源于电荷、自旋、轨道和晶格自由度之间的微妙平衡，从而产生复杂的电子和磁性。

这种复杂性通常源于不同电子态的相互作用，从而导致新的集体行为和相变。

潜在应用

电子学和自旋电子学。相关氧化物具有用于下一代存储设备和传感器的潜力，利用金属-绝缘体转变和可切换磁性。
能量转换和储存。由于其高温超导性和可逆结构相变，相关氧化物为能量传输、产生和储存提供了可能性。
传感和驱动。相关氧化物的独特特性使高性能传感器和执行器成为可能，使其适用于机器人、生物医学设备和智能系统中的应用。

氮化镓 (GaN)

氮化镓 (GaN)是一种宽带隙半导体材料，近年来因其在电力电子领域的革命性潜力而备受关注。

GaN 展现出卓越的特性，这有助于其在电力电子应用中的优势。GaN 的关键特性之一是其宽带隙，这使其能够在比硅更高的电压和温度下工作。此属性使 GaN 器件能够处理更高的功率水平，而不会影响效率。

潜在应用

电源转换器和逆变器。GaN 器件可用于 AC-DC 和 DC-DC 转换器，以及用于电机驱动的逆变器。它们的高效率和功率处理能力可实现更小、更高效的电源转换系统。
电动汽车 (EV) 充电系统。基于 GaN 的电力电子技术可缩短充电时间、提高功率密度并提高 EV 充电基础设施的效率，从而促进电动汽车的广泛采用。
可再生能源系统。GaN 器件可以提高太阳能和风能系统的效率和功率密度。它们可以实现更好的能量转换，减少功率损耗，并有助于将可再生能源整合到电网中。
数据中心和电信基础设施。基于 GaN 的电力电子产品可为数据中心和电信基础设施提供更高的功率密度和能效，有助于满足日益增长的数据处理和通信需求。

有机材料

有机材料是一类主要由与氢和其他元素键合的碳原子组成的化合物。

在电子学中，有机材料是指具有独特电学和光学特性的有机半导体和导电聚合物。这些材料具有多种优势，包括柔韧性、重量轻和低成本制造的潜力。

潜在应用

灵活的显示。基于有机材料的有机发光二极管 (OLED) 为柔性显示器提供了显着优势。这些显示器可以卷起、弯曲和弯曲，从而为智能手机、电视和可穿戴设备提供新的外形规格。
有机光伏。有机太阳能电池，也称为有机光伏 (OPV)，具有提供轻质、灵活和低成本太阳能转换的潜力。它们可以集成到建筑材料、便携式电子产品和可穿戴设备中。
印刷和柔性电子产品。有机材料可以印刷在各种基材上，从而能够生产出灵活且贴合的电子电路、传感器和 RFID 标签。这些应用可用于智能包装、医疗设备和电子纺织品。
生物电子学和生物医学应用。有机材料与生物系统相容，使其适用于生物传感器、生物电极和神经接口等生物电子设备。它们在医学诊断、药物输送系统和组织工程方面大有可为。

除了上述材料外，其他有前途的材料也即将用于未来的电子产品。例如，过渡金属二硫化物 (TMD) 和黑磷等二维材料在柔性电子和储能等应用中显示出潜力。

有机-无机钙钛矿等混合材料也正在探索中，以提高太阳能电池和 LED 等设备的稳定性和性能。这些材料为电子技术的进步提供了令人兴奋的机会。

未来该何去何从？

在不断发展的电子领域，未来拥有无数的可能性。随着研究人员不断突破创新界限并探索新材料，一场变革性的技术革命已经准备就绪。

未来可能发生的关键方面：

高级性能。未来的电子产品将展现出无与伦比的性能，超越当前设备的能力。借助石墨烯和碳纳米管等材料，我们可以期待更快、更高效的晶体管，从而实现更高的处理速度和增强的计算能力。这将为人工智能、量子计算和数据密集型任务等领域的突破性应用铺平道路。这将对包括银行业和金融业在内的各种重要行业产生巨大影响。例如，根据最近的统计数据，80% 的金融机构认为人工智能有可能帮助简化他们的程序，并为他们的客户提供更安全、更轻松的体验。
小型化。电子产品的未来将见证前所未有的小型化水平。使用碳纳米管和二维材料等材料，可以在不牺牲功能的情况下将设备缩小到纳米级尺寸。这种微型化将彻底改变医疗保健等行业，在这些行业中，植入式医疗设备和纳米机器人可用于精确诊断和靶向药物输送。
柔韧性和耐磨性。未来，柔性和可穿戴电子产品将变得越来越普遍。有机材料和二维材料具有独特的灵活性优势，允许设备弯曲、折叠并适应各种表面。这为智能服装、可弯曲显示器和电子皮肤开辟了可能性，它们可以监测健康参数并将技术无缝集成到我们的日常生活中。
能源效率。对节能电子产品的需求将继续增长。氮化镓 (GaN) 等新材料具有更高的能量转换效率和更低的功耗，使其成为电力电子、电动汽车和储能设备的理想选择。此外，钙钛矿太阳能电池和有机光伏电池的进步有望实现高效、低成本的可再生能源发电。例如，随着电动汽车的兴起，我们在汽车应用中看到了这一点，普通民众也开始注意到这一点。最近的研究表明，超过 70% 的人生活在加拿大，40% 的人居住在美国的受访者表示，他们正在认真考虑在下次购买汽车时购买电动汽车。
可持续性和生物降解性。电子产品的未来将优先考虑可持续性和环保意识。源自可再生资源的有机材料有可能取代对环境有害的传统材料。由可随时间自然分解的材料制成的可生物降解电子产品将减少电子垃圾，并有助于实现更可持续的未来。
新兴技术的整合。Future electronics 将与新兴技术无缝集成以创建创新解决方案。这包括物联网 (IoT) 设备、人工智能、虚拟现实、增强现实和先进传感器技术的集成。这些协同作用将使智能家居、智能城市、个性化医疗保健和沉浸式数字体验成为可能。
挑战和伦理考虑。虽然未来拥有巨大的潜力，但它也带来了挑战和道德考量。需要克服材料合成、可扩展性和可靠性等技术障碍，才能使这些新材料实现商业化。此外，必须解决围绕数据收集和人工智能的隐私、安全和道德问题，以确保对未来电子产品的负责任和有益使用。

结论

电子世界正处于一场超越传统硅限制的变革性革命的边缘。替代材料的出现可以重塑电子行业的未来。

这些材料具有独特的特性和优势，可以为先进、高效和小型化的设备开启新的可能性。研究人员、行业专业人士和政策制定者必须合作，并且需要投资于替代材料的探索和开发。

凭借毅力和创新，研究人员可以释放这些材料的变革潜力。这将彻底改变电子行业，并为先进、可持续和互连的电子设备的未来铺平道路。

超越硅的时代已经来临，可能性是巨大而充满希望的。

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