內容摘要： 一種“不怕熱”電子元件的研究，最近“火”了。由南京大學教授新研發的被稱為“三明治”結構的新材料電子元件，可耐340℃的高溫。
一種“不怕熱”電子元件的研究，最近“火”了。由南京大學教授新研發的被稱為“三明治”結構的新材料電子元件，可耐340℃的高溫。
手機因為高速運行，或者被太陽直射，電腦由於軟件程序太大等，都會發生電子元件溫度過高，導致機器自動斷電。主持此項研究的南京大學物理學院教授繆峰介紹說，這項研究致力於有效地實現電子元件“不怕熱”“耐高溫”。據悉，繆峰研究團隊最近在電子學領域頂級期刊 《自然·電子學》(Nature Electronics) 雜誌上發表了他們的工作成果。
目前手機電腦電子元件受制於125℃工作溫度極限
據介紹，目前使用的手機和電腦等電子產品中，大量用於運算和儲存的電子元件受制於125℃的工作溫度極限。一旦超過這個溫度，大部分元件都會出現計算結果出錯和數據丟失的情況。繆峰介紹說：“也正因為如此，電子工程師們不得不在手機和電腦裡設置一個高溫保護機制，一旦溫度過高就自動切斷電源。很多人在使用手機或者電腦玩遊戲時，內部電子元件的高負荷運轉會導致其溫度迅速升高，最終引發高溫保護，自動關機。”
電子元件“怕熱”是一個長期困擾電子工程師們的世界性難題。這個問題不僅僅出現在手機電腦這些日常電子產品中，在航天航空、軍事、地質勘探和石油天然氣鑽井等高精尖領域中，電子元件需要面臨更加極端的溫度環境，往往需要能在300℃以上的高溫下穩定工作。繆峰介紹說，傳統電子元件基本不太可能滿足這個要求，目前解決這個問題的主要辦法，是通過冷卻系統來為電子元件降溫。“譬如為了安全性考慮，現在飛機一般會有兩個引擎，每一個引擎又有兩套電子控制系統，其中很重要的一部分就是保證電子元件能夠正常工作的冷卻系統。這個額外配置的冷卻系統導致成本和能耗增加，並降低可靠性。如果能夠解決這一難題，實現電子元件在極端溫度環境下的正常運行，引擎運行的成本、能耗降低，安全性、穩定性會更高。”
這些年來科學家和工程師們一直都在努力研究“不怕熱”的電子元件。繆峰團隊研究的這類電子元件叫做憶阻器(記憶電阻)，顧名思義，它是一種基於“記憶”外加電壓或電流歷史而動態改變其內部電阻狀態的電阻開關，是一種運算和存儲元件。由於擁有超小的尺寸、極快的擦寫速度、超高的擦寫壽命、多阻態開關特性和良好的CMOS兼容性，憶阻器被業內視為傳統運算和存儲元件的潛在替代者，可應用在未來人工智能(神經形態計算)技術的重要候選者。
創新性突破，兩年數百次實驗
在這項研究中，繆峰團隊創新性地選擇了兩種二維原子晶體材料：硫氧化鉬(氧化二硫化鉬)和石墨烯分別作為憶阻器的介質層和電極材料，製成“三明治”結構的範德華異質結。選擇這兩種材料進行嘗試正是看中了它們作為生活中常用的固體潤滑劑，能夠在摩擦產生高熱的環境下穩定工作的特性。
“經過測試，我們發現這種基於全二維材料的異質結能夠實現媲美傳統憶阻器的穩定開關：可擦寫次數超過千萬次，擦寫速度小於100納秒，並且擁有很好的非揮發性。該結構的憶阻器能夠在高達340℃的溫度下穩定工作並且保持良好的擦寫性能。”繆峰介紹說。
對於這類納米級的晶體材料和器件結構，最大的挑戰來自兩個方面。第一，中間部分最核心材料的最優化選擇。繆峰說：“我們選擇了二硫化鉬，需要對它進行一定程度的氧化，氧化程度的多少，如何控制氧化，如何讓其性能達到最優，這是需要摸索的，多不行，少也不行，最後經過我們的測試，發現了最優的氧化參數。”第二，這個“三明治”結構界面的最佳控制。“界面中有沒有雜質，有沒有空氣、水等，這些都會影響器件性能。最後，在經歷了兩年數百次的實驗後，我們實現了對具有原子級精度的界面的有效控制。”
據悉，繆峰團隊同時還和南京大學現代工程與應用科學學院的王鵬教授課題組合作，利用透射電子顯微鏡對這一新型“三明治”結構材料進行了深入研究，發現該憶阻器的耐熱性來源於硫氧化鉬晶體超高的熱穩定性，並進一步揭示了這類器件中基於氧離子遷移的工作機制。研究結果顯示，這類憶阻器在擦寫過程中一直被具有超高熱穩定性的單晶石墨烯和層狀硫氧化鉬很好地保護著，保證了高溫擦寫過程中的穩定性。
多年研究積累，期待項目儘快投入應用
作為國家青年千人計劃入選者，繆峰2012年歸國後即回到母校南京大學物理學院，併成立了自己的課題組，主攻固體電子學和凝聚態物理。之前，他在美國加州大學河濱分校完成博士學位，並在硅谷惠普實驗室工作三年。回國近六年來，這位80後博導帶領他近20人的團隊，重點研究以石墨烯為代表的二維材料，聚焦相關領域的重大難題開展攻關，在二維材料新型電子和光電元件的應用基礎方面做了很多工作。
“這個研究工作不僅展示了二維層狀材料異質結構在憶阻器領域中的巨大應用前景，對未來極端環境下電子元件的設計與研究有著重要的指導意義；同時也令我們認識到，二維材料異質結構可以結合不同二維材料的優異性質，給學界和業界提供了一種解決其他領域電子器件技術挑戰的可能的通用途徑。”
繆峰在接受本報記者採訪時表示，目前這項科研成果還僅停留在實驗室層面，已分別在中國和美國申請專利，相信有望較快進入應用階段，“可以想象，這種元件如果應用於手機和電腦等電子產品，以及航天航空、地質勘探等極端環境中作業的電子設備，都能很好地解決機器抗熱的問題，令工業器械很大程度上擺脫對散熱冷卻系統的依賴。”
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