未來的IT材料

鍺、鎵、石墨烯：全球各地的實(shí)驗(yàn)室，研究人員正在嘗試各種新材料，以使處理器的速度更快、使顯示器的彩色更豐富、使電池能量密度更高。

尋找新材料的研究人員目前研究的材料尺寸是常人難以想象的：當(dāng)前一個(gè)最新的CPU晶體管寬度僅有60nm，比大腸桿菌還要小百倍。在顯示器中，最小部件的厚度僅有幾個(gè)原子層的厚度。在未來，IT技術(shù)的基礎(chǔ)模塊將會(huì)變得更小，因此研究人員必須不斷地開發(fā)新的高科技材料，以便在更微小的尺寸下派上用場。除了眾所周知的“神奇材料”石墨烯以外，科學(xué)家正在試驗(yàn)其他的一些物質(zhì)，例如傳統(tǒng)材料硫，無論是在單層原子結(jié)構(gòu)的顯示面板上還是更微小的CPU中，甚至是開發(fā)新電池時(shí)它的潛力都超乎想象。

更好的電腦

通過鍺和硅材料可以制造出更小的晶體管，支持更快的CPU和更靈活的存儲(chǔ)介質(zhì)。

摩爾定律是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的口頭禪：處理器必須不斷變得更小和更快。但是按照目前的技術(shù)工藝，作為晶體管主要材料的硅很快將達(dá)到它的物理極限，要能夠遵循摩爾定律，必須找到制造晶體管的新材料。目前被考慮作為硅替代品的一種材料是鍺，這種半導(dǎo)體材料與硅相比有明顯的優(yōu)勢：它的低電阻特性能夠支持CPU以更高時(shí)鐘頻率運(yùn)算，而不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生臨界熱流。此外，鍺晶格比硅更為緊密，對于設(shè)計(jì)更小的晶體管來說這一點(diǎn)尤其重要。微芯片由數(shù)百萬到數(shù)十億個(gè)場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor，簡稱FET）組成：這些FET包含正導(dǎo)電的PFET和負(fù)導(dǎo)電的NFET兩種不同的類型，雖然使用鍺材料的PFET已經(jīng)使用了很長一段時(shí)間，但是NFETS仍然需要采用硅，這導(dǎo)致了晶體管尺寸無法進(jìn)一步縮小。不過，美國普渡大學(xué)的研究人員葉培德最近介紹的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，簡稱CMOS）電路中，據(jù)說采用了基于鍺的NFETS。

硅的相關(guān)物有潛力

美國得克薩斯大學(xué)的亞歷克斯·杰姆科夫認(rèn)為，鍺并不僅僅可以作為CPU的基礎(chǔ)材料，它還徹底改變了存儲(chǔ)技術(shù)。按照物理學(xué)家的計(jì)算，鍺可以用于制作鐵電場效應(yīng)晶體管（Ferro-electric Field Effect Transistor，簡稱FeFET）。由于FeFET是非易失性的，因而它可以在沒有電源的情況下保持狀態(tài)（類似EEPROM閃存）。其結(jié)果是，它可以用于制作永久性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，并且使用FeFET的內(nèi)存無論是讀出還是寫入，速度和現(xiàn)在的內(nèi)存一樣快。杰姆科夫在實(shí)驗(yàn)室中通過將鈦酸鋇層放置在鍺塊上完成了FeFET的核心部件柵極的構(gòu)建，目前，他正在研究一種方法來為FeFET的源極和漏極添加新材料。

除了考慮鍺作為硅的替代品之外，二維納米層材料也可以作為硅的替代品。二維納米層也就是每層僅只有一個(gè)原子的單層材料，這種材料中最有名的是石墨烯，但是這種通常被稱為“奇跡”的碳化合物實(shí)際上并不適合用于制造CPU，因?yàn)檫@種材料幾乎沒有電阻，制成的石墨烯晶體管將不存在打開和關(guān)閉狀態(tài)。而由硅原子制作而成的二維納米層可以說是一個(gè)希望，雖然其生產(chǎn)難度比石墨烯更高，但是由于它的波浪形結(jié)構(gòu)具有所謂的帶隙，所以這一屬性使得該材料具有可操作性。問題是硅烯（Silicene，單原子層的硅）在空氣中幾分鐘就會(huì)消失，因此，目前科學(xué)家們正想方設(shè)法解決這一問題?，F(xiàn)在已經(jīng)想出的辦法是使用特氟隆保護(hù)層，如果能夠成功解決這一問題，那么CPU的小型化問題將不會(huì)再受到材料的限制，暫時(shí)可以得到解決。

更小的晶體管不僅需要新材料，還需要新的制造方法。低于10nm的設(shè)計(jì)，芯片制造商必須依靠納米線晶體管，但是晶體管需要與其他晶體管和控制器連接，納米線晶體管與外界的連接問題一直難以解決，如果采用普通的金屬連接技術(shù)，則需要更多制備和后期裝配工作，制作工藝會(huì)非常復(fù)雜。不過，哥本哈根大學(xué)的研究人員已經(jīng)找出了一種新的方法，可以完全解決這一問題。托馬斯·砂耶斯佩森教授和他的同事們成功地開發(fā)出了包含電觸點(diǎn)的混合納米線，砂耶斯佩森教授認(rèn)為，混合納米線非常有潛力，不僅提高了納米晶體和電子觸點(diǎn)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)的承載能力，同時(shí)也為制造新型電子元件提供更多的可行性。他和他的同事彼得展示了一個(gè)通過數(shù)以億計(jì)混合納米線制作的芯片。對于研究人員來說，考慮的不僅僅是滿足傳統(tǒng)電腦的需求，砂耶斯佩森教授認(rèn)為這種新方法最終可以為未來的超導(dǎo)電子的制備奠定基礎(chǔ)，可以在未來的量子電腦中使用。

陶瓷超導(dǎo)體的突破

然而，超導(dǎo)體最大的問題是，它們只有在非常低的溫度下才能達(dá)到它們的零電阻電導(dǎo)率，例如鋁，只有在-272℃時(shí)才變成為超導(dǎo)體。因此，它必須用液體氦冷卻，而這是一項(xiàng)非常昂貴的操作。為了更經(jīng)濟(jì)地操作超導(dǎo)體和量子計(jì)算機(jī)，最好是選擇一種超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與室溫相近的超導(dǎo)材料。這或許是不可想象的，但是卻未必是完全不可能的。一個(gè)以馬克斯·普朗克為首的國際工作小組的研究人員已經(jīng)成功地通過在常溫下用紅外激光閃爍短時(shí)間轟擊，使一個(gè)特定的陶瓷超導(dǎo)化合物在室溫下成為超導(dǎo)體。但效果僅持續(xù)了幾萬分之一微秒，不過研究人員感覺很振奮，認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)是邁向未來超導(dǎo)體不需要被冷卻的第一步。

所有對于新材料的研究，如果是為了在提高芯片和存儲(chǔ)介質(zhì)的速度方面取得進(jìn)展，那么如果不能夠同時(shí)解決另一個(gè)瓶頸，所有這一切則都有可能是徒勞的，這就是一直沒有得到解決的數(shù)據(jù)傳輸問題。截至目前，芯片之間或者存儲(chǔ)單元之間都是通過傳統(tǒng)的銅纜傳輸數(shù)據(jù)，這種傳輸方式對于未來兆級(jí)處理器的數(shù)據(jù)傳輸來說是不合格的。如果要實(shí)現(xiàn)流暢的數(shù)據(jù)傳輸，理想的解決方案是使用光代替金屬導(dǎo)體。但是專家找不到一個(gè)合適的材料可以用于生產(chǎn)激光器，同時(shí)又可以與目前的芯片兼容。不過，德國的于利希研究中心和瑞士的保羅·謝爾研究所日科學(xué)家最近取得了一些突破性的進(jìn)展，在2015年1月下旬，他們推出了一個(gè)由鍺錫化合物制作的紅外線激光器。由于這種材料可以被整合到目前的芯片中，所以有可能不僅能夠?qū)﹄娔X的速度產(chǎn)生正面作用，同時(shí)還可能大幅度降低電腦的功耗。不過，目前這一原型工作時(shí)必須大幅度冷卻，研究者正試圖找到一個(gè)解決這個(gè)問題的辦法。

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鍺：新的芯片？

雖然世界上第一個(gè)晶體管采用的材料是鍺，但是這種半導(dǎo)體早已經(jīng)讓位于更容易處理的硅，不過，新的研究或許能夠有助于它的復(fù)興。

采用新型晶體管的存儲(chǔ)革命

鐵電晶體管制成的內(nèi)存和現(xiàn)有內(nèi)存的速度一樣快，和機(jī)械硬盤一樣地穩(wěn)定，這種在很長一段時(shí)間中都只是純理論的產(chǎn)品，或許可以通過鍺來實(shí)現(xiàn)。

硅烯可以讓芯片做得更小

由于硅原子的波狀結(jié)構(gòu)，上部的電子與下部的能量狀態(tài)稍微有點(diǎn)不同，因而，相對于石墨烯，硅烯更適合用于制造晶體管。

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批量生產(chǎn)碳納米管

一種新型半導(dǎo)體納米管的電觸點(diǎn)“生長”在其原子層上，這種穩(wěn)定的連接可以適應(yīng)工業(yè)規(guī)模上的處理。

在室溫下超導(dǎo)

在超導(dǎo)的情況下，金屬的內(nèi)磁場向外擠壓，其中磁鐵將開始浮動(dòng)，研究人員首次在室溫下實(shí)現(xiàn)這種實(shí)驗(yàn)。

解決電腦數(shù)據(jù)傳輸瓶頸

CPU內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速率是電腦的瓶頸，現(xiàn)在，一個(gè)由鍺錫化合物制作的紅外線激光器將可以解決這個(gè)問題。

北萊茵-威斯特法倫州的創(chuàng)新

使用一臺(tái)化學(xué)氣相沉積機(jī)器，德國的于利希研究中心和瑞士的保羅·謝爾研究所科學(xué)家開發(fā)和制造了部分新型的鍺錫激光器。

量子點(diǎn)顯示器

使用新材料，可以顯著提高現(xiàn)在的顯示技術(shù)，并制作全新的顯示器。

電視制造商如三星和LG之間的競爭是非常激烈的，因而，可以生產(chǎn)出更多、更好的產(chǎn)品。2015年CES大會(huì)上，這兩家公司都推出了采用所謂的量子點(diǎn)技術(shù)的UHD電視，量子點(diǎn)技術(shù)不僅能夠拓展液晶顯示器面板的尺寸，同時(shí)還可以提高色彩飽和度。量子點(diǎn)是納米晶體，是由銦鎵砷化合物組成的所謂的化合物半導(dǎo)體。它們可以根據(jù)大小精確限定發(fā)光的波長，由于量子點(diǎn)的尺寸可以在制造過程中精確地控制，因而它們產(chǎn)生的顏色也可以被非常精確地確定。如果在一個(gè)發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，簡稱LED）顯示器中，數(shù)以億計(jì)的紅色和綠色量子薄膜在藍(lán)色背光的照射下，將可以產(chǎn)生一個(gè)包含所有RGB彩色的高品質(zhì)白色光。在目前的LED顯示器中通常采用白色背光源，紅色和綠色的分量看起來會(huì)比藍(lán)色分量弱。因而，量子點(diǎn)技術(shù)的LED顯示器通過藍(lán)色背光來補(bǔ)償這種不平衡的色彩，可以使顯示器擁有更大的色牢度。此外，事實(shí)上量子點(diǎn)可以精細(xì)地調(diào)整色調(diào)，使顯示器可以顯示所有可以想象的色調(diào)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，量子點(diǎn)薄膜的處理成本并不昂貴，因此，它們可以被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)有的液晶顯示器制造工藝上。其結(jié)果將會(huì)是生產(chǎn)出一種圖像質(zhì)量可以與有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode，簡稱OLED）顯示器相媲美的產(chǎn)品，但投資和生產(chǎn)成本只需要LED顯示器的一小部分。

石墨烯制成的透明LED燈

另一種基于納米材料的顯示技術(shù)目前仍處于起步階段，但這種技術(shù)有可能產(chǎn)生全新的顯示器。英國曼徹斯特和謝菲爾德大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種半透明的顯示器，該顯示器使用的LED集成在一個(gè)石墨烯襯底上，顯示器由多個(gè)二維晶體堆疊而成，其厚度只有10至40個(gè)原子厚。它是透明的，且整個(gè)表面都可以產(chǎn)生光。該顯示器的核心是一個(gè)所謂的量子阱（Quantum well），這是由科學(xué)家通過組合的一維晶體結(jié)構(gòu)制作的，在量子阱中，電子根據(jù)各自的運(yùn)行方式發(fā)射光子。而研究人員可以根據(jù)需要選擇內(nèi)部的材料（本例中是二硫化鎢）來確定所發(fā)射光子的波長。因而顯示器可建立在柔性的石墨烯襯底上，它不僅透明，而且也很靈活，理論上可繞在手腕上佩戴。

也是為什么目前使用類似電池的電動(dòng)車?yán)锍讨挥?50km左右的原因。此外，鋰離子電池的陰極材料錳或鈷都是相當(dāng)昂貴的，因此德國弗勞恩霍夫研究所在2014年4月開啟“LiScell”項(xiàng)目，致力于研究鋰硫電池（Li-S），鋰硫電池中可以使用具有成本效益并且無毒的硫取代鋰離子電池此前昂貴的陰極材料。此外，研究人員希望可以通過這種技術(shù)，將電池的能量密度至少提高60%。

通過金屬空氣電池可以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，但不幸的是鋁之類的金屬陽極在電化學(xué)過程中會(huì)很快損壞。不過日本富士顏料公司聲稱已經(jīng)成功制造出新型的鋁空氣電池，制造商稱，這種電池的鋁電極可以持續(xù)使用14天，它由一個(gè)陶瓷層保護(hù)著。根據(jù)富士顏料公司的介紹，這種電池的理論能量密度比鋰離子電池高40倍，而且這種電池的操作非常簡單，需要充電時(shí)只需要補(bǔ)充水即可。

量子點(diǎn)電視機(jī)

在拉斯維加斯CES 2015年大展中，三星和LG展示了他們采用量子點(diǎn)技術(shù)的新電視旗艦產(chǎn)品，這些設(shè)備年內(nèi)將開始發(fā)售。

尺寸問題

量子點(diǎn)是砷化銦鎵納米晶體，如果它們被能量激發(fā)，它們將發(fā)出特定波長的光，通過控制量子點(diǎn)的尺寸，可以再現(xiàn)可見光譜中的每種顏色。

更好的量子阱發(fā)光二極管

通過組合不同的二維材料，光子在納米級(jí)可以被控制，這種量子阱是透明LED的基礎(chǔ)。

更強(qiáng)大的電池

每天都需要提醒自己為手機(jī)充電。新型電池將很快會(huì)解決這種煩惱。

智能手機(jī)越來越薄、速度越來越快，但是如果電池連一天也撐不過去，那么這些都是沒有意義的。在移動(dòng)計(jì)算與可穿戴設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛的時(shí)代，對于高性能電池的需求正在不斷增加。這其中的關(guān)鍵是能量密度，所謂能量密度是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小，具體到電池，也就是在特定大小的電池之內(nèi)能夠容納多少電荷載體。對于當(dāng)前主流的鋰離子電池技術(shù)，這意味著在電池陽極的鋰原子數(shù)量越多，可以存儲(chǔ)的能量就越高。

那么，最有效的解決方案顯然是制造純鋰的陽極，然而到目前為止，類似嘗試不是導(dǎo)致電池?zé)o法工作，就是電池在幾個(gè)充電周期之后付之一炬。

麻省理工學(xué)院旗下一家名為SolidEnergy的公司目前已成功地解決了這個(gè)問題，導(dǎo)致電池著火主要的原因是鋰與電解液之間的化學(xué)反應(yīng)，因而，通過固體電解質(zhì)防止鋰與電解液產(chǎn)生反應(yīng)，可以有效解決這一問題。固體電解質(zhì)就像是鋰與電解液之間的分隔物，雖然它無法和液態(tài)電解質(zhì)一樣引領(lǐng)離子，但由于它非常薄，因而并不會(huì)造成什么問題。這種新的方法可以極大地提升能量密度。在測試中，這種電池在300次充電循環(huán)之后，存儲(chǔ)容量減少只有約20%，性能完全可以和目前智能手機(jī)使用的電池相當(dāng)。

未來的空氣和水電池

盡管鋰離子電池目前是各種設(shè)備的首選，但是對于電動(dòng)車來說它的能量密度實(shí)在是太低了，所以它并不是一個(gè)好的選擇。這也是為什么目前使用類似電池的電動(dòng)車?yán)锍讨挥?50km左右的原因，但這實(shí)在不是一個(gè)可接受的結(jié)果。此外，鋰離子電池的陰極材料錳或鈷都是相當(dāng)昂貴的，因此德國弗勞恩霍夫研究所在2014年4月開啟“LiScell”項(xiàng)目，致力于研究鋰硫電池（Li-S），鋰硫電池中可以使用具有成本效益并且無毒的硫取代鋰離子電池此前昂貴的陰極材料。此外，研究人員希望可以通過這種技術(shù)，將電池的能量密度至少提高60%。

通過金屬空氣電池可以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，但是不幸的是鋁之類的金屬陽極在電化學(xué)過程中會(huì)很快損壞。不過，日本富士顏料公司聲稱已經(jīng)成功制造出新型的鋁空氣電池，制造商聲稱，這種電池的鋁電極可以持續(xù)使用14天，它由一個(gè)陶瓷層保護(hù)著。根據(jù)富士顏料公司的介紹，這種電池的理論能量密度比鋰離子電池高40倍，而且這種電池的操作非常簡單，需要充電時(shí)只需要補(bǔ)充水即可。

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鋰離子電池運(yùn)行時(shí)間加倍

鋰離子電池的尺寸主要由陽極確定，SolidEnergy公司通過新的材料和制造工藝使它可以使用純鋰的陽極，可以大幅度地縮小電池。

硫作為新的陰極材料

德國弗勞恩霍夫研究所“LiScell”項(xiàng)目旨在研究新的電池，他們研究發(fā)現(xiàn)可以在鋰離子電池中使用廉價(jià)的硫取代此前昂貴的陰極材料。

鋰離子電池并未終結(jié)

電池的質(zhì)量取決于兩個(gè)因素：決定充電和放電過程的功率密度以及決定存儲(chǔ)容量的能量密度。