国桑迪亚国家实验室研究出超宽禁带半导体材料

    将有助于缩小功率转换系统尺寸

    近日，美国桑迪亚国家实验室研究人员展示了先进半导体材料制成的晶体管和二极管，性能远优于硅材料。

    这项突破朝着实现更紧凑、更高效的电力电子更近了一步，将有助于提升消费电子到电网等等相关设备。功率电子通过转换电压、电流和频率，将能量从电源转换至负载或用户端，对于电子系统非常重要。

    超宽禁带（UWBG）半导体材料研究

    桑迪亚“超宽禁带（UWBG）半导体材料项目”研发实验室工程师Kaplar表示：“我们的研究目标就是压缩电源和电源转换系统”。研发的方法是生长有较少缺陷的材料，并制造出各种器件，借此研究这些新材料的特性，发现特性显著优于硅材料。

    该项目回答了材料的行为、如何利用等问题，为新型超禁带的研究奠定了科学基础。同时，该项目能够帮助桑迪亚拓展研究工作，利用这些更好的半导体器件研发更紧凑的功率转换系统。

    带隙是材料的基本属性，根据带隙值有助于确定材料的导电性和晶体管的性能。宽禁带（WBG）材料能够让器件工作在高压、高频和高温条件下，而且随着研究的深入，宽禁带材料已经开始对功率转换系统产生影响。

    演示最宽禁带晶体管

    桑迪亚实验室的研究人员曾演示了一款最大禁带宽度的晶体管——高电子迁移率晶体管，研究结果发表在《应用物理快报》。此外，还在《电子快报》发表两篇文章，分别分析了GaN二极管和AlGaN二极管的特性。

    Kaplar表示：“这三篇文章只是实现更紧凑、更高效电源转换器工作的一部分。研究人员非常高兴能够在半导体材料和器件物理特性研究方面有所进展。”但这些工作并不意味着超宽禁带半导体材料已能够进入市场。“对于超宽禁带二极管和晶体管，还有许多需要改进、需要优化的地方，还有很多行为没能够理解。”

    桑迪亚等地的研究人员已经研究SiC、GaN等宽禁带近二十年。近年来，桑迪亚看中了AlGaN等下一代超宽带半导体材料。实际上，桑迪亚创造了“超宽禁带”一词，引起了整个研究界的关注。

    缩小转换系统尺寸

    半导体材料的特征是效率和有效性，所以可以假设，如果一种材料比另一种好10倍，那么相应器件供电就可以少十倍。其实并没有这么简单。Kaplar表示“这取决于功率转换器中的其它组件，包括磁性元件、电容等。我们已经开始研究如何缩小功率转换系统。”

    Kaplar及桑迪亚的其他领域专家共同研究半导体和功率转换系统中其它元件的关系，“如果系统中别的元器件限制了半导体器件，那么就很难充分利用半导体器件的潜力实现功率转换系统尺寸缩小。”

    在分配电网能量的应用中，越好的半导体材料耐受的绝对电压越高。目前的解决办法是通过串联堆叠器件来达到高的电压。而由于超宽禁带材料耐压比传统材料更高，所以需要堆叠的器件更少。Kaplar表示，超宽禁带材料还能够用于极端温度或辐射环境，如核武器或卫星应用。

    美科学家研制出具有嵌入式、预设功能的丝蛋白材料

    根据美国《国家科学院院刊》近期发表的一篇论文，塔夫茨大学的工程师研制出一种由丝蛋白质制成的新固体形式，可以预先设置生物、化学或光学功能，譬如随压力改变颜色、对光做出反应的机械部件。

    特点

    丝具有独特的晶体结构，是自然界中韧性最强的材料之一。丝蛋白是丝中一种不溶性蛋白，既具有完全的生物兼容性和生物可降解性，又能保护其他材料。研究人员根据蛋白质自组装特性，使用一种水基制备法，由丝蛋白生成三维块状材料；然后利用水溶性分子将这些材料处理成具有嵌入式、预设功能的各种纳米级到微米级固体形式。譬如，研究人员制成了一种可以随机械极限临近而改变颜色的手术针，一种可以根据所受红外光按需加热的功能螺钉，以及一种可以促成生物活性剂缓释的生物兼容部件。

    潜在应用

    研究人员表示，在生物聚合物中嵌入功能元件、控制其自组装并修改其最终形式的能力，为高性能多功能材料的仿生制造提供了重大机遇。本项研究的潜在应用包括：可以植入生长因子或酶的新型整形外科机械部件，随着接近转矩限制而改变颜色的外科手术螺钉，可以感知及报告周边环境的硬件如螺母、螺栓等，或者可以重新塑形的家用物品等。

    斯坦福打造全世界最细的纳米电线

    近日，来自斯坦福大学的物理学家团队利用金刚烷立体结构的新方法制备了全世界最细的纳米电线，这种电线仅三个原子宽，未来可以应用于制作超微导电纤维、光电元件、接近无损的超导材料。 团队科学家通过对笼状金刚烷立体结构的拆解重组，在其中添加了一个硫原子，这样铜离子就与含硫金刚烷类化合物结合，形成这种纳米电线的基本单元。

    斯坦福大学毕业生Fei Hua Li表示，“这很像乐高积木，由于分子形状和结构，其自动以恰当的方式拼接，铜原子和硫原子位于中间，成了导线的导体部分，金刚烷类结构处于外周，为绝缘外层”

    由于这种纳米电线在平面和立体结构上都与传统电线不同，能够解决传统电线无法解决的量子尺寸效应对电流的限制。这就让这种新型纳米电线在未来拥有非常光明的应用前景。

    美国发明“金刚狼材料” 可在24小时内自动修复

    美国加州大学河滨分校的研究人员受“金刚狼”的启发，研发出一种透明、可延展、自愈合的导电材料，24小时之内可自动修复破损结构。这种材料未来有望用于驱动人造肌肉，也可用于提高电池、电子设备和机器人等领域。

    这种材料基于“离子偶极交互”的机制，电气化学状态下，使带电离子和极性分子处于高稳定。设计人员认为，该材料拥有诸多潜在应用，例如：电动汽车电池延寿、医学领域增强生物传感器等。

    项目负责人、加州大学河滨分校兼职助理教授王超（音译）说，研制具有这些性能的新材料是多年以来科学家梦寐以求的，目前我们刚开始探索这一领域。受伤口自愈性能的启发，我们研发了一种可以修复破损的自愈合材料。

    这项研究创造性地将自愈合材料技术与离子导体结合在一起，论文共同作者、科罗拉多大学助理教授克里斯托夫·凯普林格此前研制了一种透明材料，能够延伸和导电，但缺乏自动愈合能力。其技术困难在于共价键在电气化学状态下无法稳定和逆转，正常情况下，自愈合材料使用非共价键，但这将产生一个新问题，即这些非共价键受电刺激的影响，从而导致材料性能出现下降。

    目前，王超通过使用“离子偶极交互”机制解决这一问题，在电气化学状况下，他们使用带电离子和极性分子处于高稳定，再将可移动、高离子浓度盐与极面可延伸聚合物结合在一起，最终形成令人满意的结果。

    该材料具有良好的延展性，可延伸50倍，被切断后在室温下24小时之内可以完全自愈恢复。研究人员在测试这种材料时发现它可用于制造人造肌肉，在电信号刺激下像人类肌肉一样移动。研究人员希望这种材料将提高一些重要设备的性能，如电池、电子设备和机器人等。

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责任编辑：王元

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