可以实现超低功耗的新半导体材料诞生

来源：半导体产业纵横

特拉华大学机械工程师魏冰青（Bingqing Wei）和一个国际同事团队发现了一种很有前途的新材料，他们说这种材料可以为超低功耗电子设备铺平道路。

他们称这种材料为超级半导体，这个术语基于电子学中两个众所周知的词：超导体和半导体。超导体是自20世纪初以来已知的在超低温下以零电阻导电的材料，被认为在-450至-123华氏度之间。半导体是同时具有导电和绝缘性能的材料，具体取决于温度。

这种超级半导体材料由钴和铝制成，在室温下，导电性比硅等典型半导体材料高出3至10倍，它还具有超低电阻率，这意味着它允许电流流过材料，几乎没有阻力来减慢电子速度。研究人员认为，这一发现有可能显著降低功耗并提高电子设备的性能效率。

“这是固态导电材料中一个令人兴奋的发现，”UD机械工程教授兼燃料电池和电池中心主任Wei说。

Wei解释说，所有固体材料都表现出对导电的抵抗力，但有些比其他材料更多。例如，塑料被称为绝缘体，因为它们不导电。铜，铝，金和银等金属合金被认为擅长导电，而其他材料介于两者之间。这些介于两者之间的材料被称为半导体 - 在室温下传导电流但在超低温下表现得像绝缘材料的材料。

现代电子产品，如二极管，晶体管和计算机芯片，都是基于硅，一种典型的半导体材料。这些半导体依靠电子（负电荷）和空穴（正电荷）进行导电行为，但它们在传导这些电荷载流子方面效率低下。这会产生高电阻，导致半导体工作时产生过多的热量。

“当材料在纳米级变得越来越小时，操作过程中消耗的大部分功率都会变成热量。这种热量必须转移到系统之外，否则设备将发生故障，“使用碳纳米管等纳米材料进行能量存储的专家Wei说，主要是在电池中。

那么，钴铝超级半导体是如何解决这个问题的呢？

“由于该材料表现出低电阻，因此电流更有效地通过这种超级半导体材料，从而降低功耗并产生更少的热量，”Wei说，并补充说这一发现为当前的硅基半导体提供了潜在的替代品。

研究人员正在努力利用这种材料来制造电气元件，如二极管和晶体管，以控制现代电子产品中电流的流动方向。他们认为这些超级半导体在所谓的p-n结中特别有用，p-n结是控制半导体材料之间电流流向的重要接口。

例如，用于计算机芯片，Wei说，超级半导体可以大大降低功耗并延长我们电子产品的工作时间。随着我们在生活中添加更多设备，这个想法可能会变得非常重要。

例如，如果您只考虑家庭或企业中的一台个人计算机，那么似乎使用的电力或产生的热量并不那么难以应对。笔记本电脑中的CPU芯片平均每小时使用约45瓦电量，略高于冰箱中的40瓦白炽灯泡。个人台式计算机中的计算机芯片使用更多一点，大约125瓦，与客厅中的吊扇相同。

但是，当你将多个家庭和企业中的个人计算机与一些超级计算机结合起来时，从天气预报到测试数学模型再到预测疾病路径，你都可以看到这种热效应是如何开始成倍增加的。与它们微不足道的个人计算机不同，今天的超级计算机通常包含100000个CPU芯片，消耗约12.5兆瓦的功率 - 相当于一个人口为10万人的城镇的功耗。

全世界有超过5亿台计算机。

“如果我们降低电子设备的功耗，你可以看到好处，”Wei说。“这只是考虑到计算机的使用，它没有考虑其他设备，例如过去两年在全球销售的26亿部智能手机。”

那么，该研究小组是如何弄清楚钴和铝是一个成功的组合的呢？

研究人员正在探索用于红外探测器应用的铝和碳纳米管。他们知道，在小的贵金属颗粒（例如，金，银，铂）上照射光会引起所谓的等离子体效应，其中材料上的电荷以一种导致电子积聚在颗粒表面上的方式分布。

通过使用一种称为等离子体蚀刻的技术在自组装的聚苯乙烯球体之间创造空间，研究小组能够沉积一层10nm厚的钴，然后在球体上沉积一层100nm的铝。相比之下，人类的平均头发厚度约为80000至100000nm。

这种分层过程只允许金属停留在球体的顶部，因此，当暴露在光和室温下时，它触发了这种等离子体效应，并产生了足够的能量，使钴中的自由电子跳到铝上。这使得钴颗粒比铝带更多的正电荷，研究人员推测这是赋予该材料超半导体行为的原因。

据他们所知，这是超半导体行为的第一份报告。研究人员已经向UD的经济创新和伙伴关系办公室提交了一项关于其发现的临时专利。

研究人员最近在《应用物理评论》上发表了他们关于超级半导体的研究结果。

该论文的第一作者、中国台州大学制药与材料工程学院教授李志刚于2018年成为UD的访问学者。李志是材料超导行为方面的专家。其他合著者包括台州大学的王宗鹏，刘彦平，陈继根和王泰乐等。