研究报告:10月4日

超薄半导体二维电极

来自韩国科学技术研究所(KIST)、日本国立材料科学研究所和群山国立大学的研究人员设计了基于二维半导体的电子和逻辑器件，其电学特性可以通过一种新的电路有选择地控制二维电极材料，氯掺杂二硒化锡(Cl-SnSe2)。

研究人员指出，在传统的二维半导体器件中很难实现互补逻辑电路，因为由于费米能级钉住现象，它们只表现出n型或p型器件的特征。

通过使用Cl-SnSe2作为电极材料，他们发现可以通过最大限度地减少半导体接口缺陷来自由控制n型和p型器件的特性，使单个器件能够同时执行n型和p型器件的功能。

该团队使用这种材料实现了一种高性能、低功耗、互补的逻辑电路，可以执行不同的逻辑操作，如NOR和NAND。

KIST光电子材料及器件中心研究员黄道京(音译)表示:“由于传统硅半导体器件的小型化和高集成度等技术限制，一直难以实际应用的人工智能(ai)等新一代系统技术的商用化速度将会加快。”“开发的二维电极材料非常薄;因此，它们表现出高透光性和柔韧性。因此，它们可以用于下一代柔性透明半导体器件。”

快速薄膜钛酸钡

劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的研究人员合成了一种薄膜版钛酸钡(BaTiO3)，其中极化开关与散装版本一样快速有效。

大块BaTiO3晶体对小电场反应迅速，即使电场被移除，带电原子的方向也会以可逆但永久的方式翻转。

“我们知道BaTiO3已经有一个世纪的大部分时间了，我们已经知道如何制作这种材料的薄膜40多年了。但到目前为止，没有人能制作出接近批量生产的结构或性能的电影，”伯克利实验室材料科学部的教员科学家、加州大学伯克利分校材料科学与工程教授莱恩·马丁说。

制造BaTiO3薄膜的一个挑战是缺陷的高度集中。为了减少这些，研究人员使用了脉冲激光沉积，这包括向BaTiO3陶瓷目标发射紫外线激光，使材料转变为等离子体，然后将原子从目标传输到表面上，以生长薄膜。马丁说:“这是一个多功能的工具，我们可以在电影的发展过程中调整很多旋钮，看看哪些对控制属性最重要。”

该方法能够实现对沉积膜的结构、化学性质、厚度以及与金属电极的界面的精确控制。

通过在两个金属层之间放置一层BaTiO3薄膜，该团队制造出了微型电容器。施加100毫伏或更低的电压并测量产生的电流表明，薄膜的极化在2纳秒内切换，并且可能更快。马丁说:“这是我们追求低功耗电子产品的一个很好的早期胜利，它超越了目前硅基电子产品的可能。”“与我们的新设备不同，现在芯片中使用的电容器无法保存数据，除非你持续施加电压。”

电子显微镜图像显示了夹在钌酸锶(SrRuO3)金属层之间的钛酸钡(BaTiO3)薄膜的精确原子对原子的结构，从而制成了一个微型电容器。(来源:莱恩·马丁/伯克利实验室)

接下来，该团队计划将材料缩小得更薄，使其与真实设备兼容，并研究其行为。他们还将与英特尔(Intel)等公司的合作者合作，测试第一代电子设备的可行性。“如果你能让计算机的每一个逻辑运算效率提高一百万倍，想想你能节省多少能源。这就是我们这么做的原因。”马丁说。

可清洗的能量收集织物

新加坡南洋理工大学和清华大学的科学家们开发了一种可拉伸防水面料这将身体运动产生的能量转化为电能。

这种织物使用一种聚合物，当挤压或挤压时，可以将机械应力转化为电能。它还由可拉伸的氨纶作为基础层，并与橡胶类材料集成，以保持其坚固，灵活和防水。这种织物可以洗涤和折叠而不降低性能，并保持稳定的电力输出长达5个月。

“已经有很多人尝试开发可以从运动中收集能量的织物或服装，但一个巨大的挑战是开发出一种在洗涤后功能不会下降的东西，同时保持良好的电力输出。在我们的研究中，我们证明了我们的原型在清洗和揉皱后仍能正常工作。我们认为它可以编织到t恤或集成到鞋底，从身体最小的运动中收集能量，将电力输送到移动设备中，”南洋理工大学材料科学家兼副教务长(研究生教育)教授Pooi See Lee说。

研究人员表示，这种原型织物可以通过两种方式产生电力:当它被挤压或挤压时(压电性)，以及当它与皮肤或橡胶手套等其他材料接触或摩擦时(摩擦电效应)。

该材料由一个可拉伸电极组成，由银和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)的油墨丝网印刷而成，SEBS是一种类似橡胶的材料，使其更具拉伸性和防水性能。然后将可拉伸电极连接到一块由聚偏氟乙烯-共六氟丙烯(PVDFHPF)组成的纳米纤维织物上，这种聚合物在压缩、弯曲或拉伸时产生电荷，以及无铅钙钛矿。

“在PVDF-HPF中嵌入钙钛矿可以增加原型的电输出。在我们的研究中，我们选择了无铅钙钛矿作为更环保的选择。虽然钙钛矿本质上很脆，但将其集成到PVDF-HPF中使钙钛矿具有优异的机械耐久性和灵活性。PVDF-HPF还对钙钛矿起到了额外的保护层，增加了其机械性能和稳定性，”南洋理工大学博士生冯江说。

这种原型织物每平方米可以产生2.34瓦的电力，足以为led和商用电容器等小型电子设备供电。

“尽管电池容量有所提高，电力需求也有所降低，但可穿戴设备的电源仍然需要频繁更换电池。我们的研究结果表明，我们的能量收集原型织物可以利用来自人类的振动能量来潜在地延长电池的寿命，甚至可以构建自供电系统。据我们所知，这是第一种基于钙钛矿的混合能源设备，稳定、可拉伸、透气、防水，同时能够提供出色的电力输出性能。”Lee说。

该团队计划探索这种织物是否可以用于收集其他形式的能量。