電子最前沿：柔性電子元器件、石墨烯光電探測器、石墨烯電流成像、硅基紫外光感測器、「永久性」石英材質信息載體

斯坦福大學開發出

可生物降解的柔性電子元器件

【據今日科學網站2017年5月2日報道】隨著智能手機、可穿戴感測器等電子設備的日益普及，電子垃圾數量也越來越多。聯合國環境規劃署的報告指出，2017年全球電子垃圾近5000萬噸，比2015年增加20％以上。

斯坦福大學化學工程與材料科學工程系鮑哲南教授及其團隊試圖模擬人類皮膚的功能，思考如何開發出未來電子設備。皮膚具有柔性、自我修復和生物降解功能，這對於電子產品是非常有吸引力的。鮑哲南說：「我們已經實現了柔性和自我修復功能，所以生物降解功能是我們想要解決的。」

研究團隊開發出一種柔性電子器件，只要加入弱酸就可以降解。研究結果於5月1日發表在《美國科學院學報》。這是可分解半導體聚合物的第一個例子。

除了聚合物——基本上是柔性導電塑料——該團隊開發出可降解電子電路和用於放置電子元件的生物降解襯底材料。該襯底支持電子元器件，可彎曲並塑造出粗糙和光滑表面。當不再需要電子器件時，可生物降解為無毒材料。

在此之前，鮑哲南教授模擬人類皮膚，製備出一種可拉伸電極。該材料可以彎曲和扭曲，因而允許其與皮膚或大腦接觸，但是不能降解。這限制了植入式器件的應用，並且造成了浪費。

製備出既具有良好電導性又可生物降解的魯棒材料是一種挑戰。鮑哲南說：「我們一直在努力思考如何開發出可生物降解的導電聚合物。」

最終，該團隊發現通過調整柔性材料的化學結構，使其在溫和壓力下分裂。鮑哲南說：「我們產生這樣一個想法：利用特殊的化學鍵使分子繼續保持順利傳輸電子的能力。但是，這種化學鍵對弱酸很敏感。」 因而，研究人員開發出一種可攜帶電信號且易於降解的材料。

除了生物降解聚合物，該團隊還開發出一種新型電子器件和襯底材料。通常，電子器件由金製成。但是，該新型電子器件由鐵製成。鐵是一種環境友好型產品且對人類無毒。

研究人員從纖維素中製備出襯底，其載有電子電路和聚合物。纖維素可以做成紙。該團隊改變了纖維素纖維，因此「紙」是透明且柔韌的，同時仍然容易破裂。採用薄膜襯底製成的電子器件可用於可穿戴設備，甚至植入體內。

可生物降解的導電聚合物和襯底的組合使得電子器件具有多種用途，從可穿戴電子器件到大規模環境調查。

未來，可生物降解的柔性電子器件會非常薄且舒適，它可用於測量血壓、血糖和出汗量。該器件可穿戴一天或者一周，然後下載數據。這種短期使用的一次性電子產品似乎非常適合可降解和柔性設計。

可生物降解的襯底、聚合物和鐵電極使得整個器件適合用於人體，但是仍需更多的探索。此外，可生物降解的電子器件可用於偏遠地區的大面積調查。例如，利用飛機將可生物降解的電子器件投放在森林調查地形等數據。通常，人們很難將感測器擴散在森林，而且回收感測器也相當困難。隨著電子元件數量的增加，生物降解性變得越來越重要。

普渡大學開發出石墨烯光電探測器新技術

實現非局部光電探測

【據今日半導體網站2017年4月25日報道】普渡大學、密西根大學和賓夕法尼亞州立大學的研究團隊聲稱，已解決阻礙石墨烯高性能光學器件的發展問題，石墨烯高性能光學器件可用於成像、顯示、感測器和高速通信。題為「由碳化硅襯底與微米量級石墨烯結合製成的光電晶體管的位置依賴和毫米範圍光電探測」的論文發表在《自然納米技術》雜誌。該項目受到美國國家科學基金會和美國國土安全部的聯合資助，同時，它也受到國防威脅降低局的資助。 、

極薄碳層具有獨特的光學和電子性質，石墨烯有希望製成高性能光電器件。然而，通常的石墨烯光電探測器僅有一小塊區域對光束敏感，這限制了其應用。

普渡大學陳勇教授說：「為解決該問題，研究人員將石墨烯與相對較大的SiC襯底相結合，製成了石墨烯場效應晶體管，光可以將其激活。」

高性能光電探測器可用於高速通信、超靈敏相機、感測和可穿戴電子器件。基於石墨烯的晶體管陣列可以實現高解析度成像和顯示。

密歇根大學核工程與放射科學Igor Jovanovic教授說：「大部分相機需要很多像素點，然而，我們的方法使得超靈敏相機成為可能。雖然它的像素點相對較少，但是解析度很高。」

Jovanovic教授說：「在通常的石墨烯光電探測器中，光響應僅發生在石墨烯附近的特定位置（該區域比器件尺寸小得多）。然而，對許多光電器件應用而言，希望在更大的區域上獲得光響應和位置靈敏度。」

新發現表明，該器件可在非局部區域對光敏感，甚至當光照在距石墨烯至少500µm 的碳化硅襯底上時也對光敏感。光響應和光電流可增加差不多10倍，這取決於照射哪一部分材料。此外，光電晶體管新技術也是位置靈敏的，因此它可以確定光線到達的位置（對於成像應用和探測器非常重要）。

這是首次證明在較大的碳化硅晶片上使用一小塊石墨烯實現非局部光電探測，因此光不必擊中石墨烯本身。光線可以入射在一個更大的區域，幾乎是一毫米，之前沒有人做過相關研究。

將電壓施加在碳化硅背面和石墨烯之間，在碳化硅中建一個電場。入射光在碳化硅中產生光載流子。

該研究與開發石墨烯感測器工作有關，石墨烯感測器可用於檢測輻射。

陳勇教授說：「該論文與用於檢測光子的感測器有關，但原理與其它輻射類型相同。我們正使用靈敏石墨烯晶體管探測光子產生的電場變化，在這種情況下，光與碳化硅襯底發生反應。」

Jovanovic說：「光探測器可用於閃爍體，閃爍體可檢測輻射。電離輻射產生短暫的光照，閃爍體中的光電倍增管（約百年的老技術）可檢測它。因此，開發可以實現相同功能、基於半導體的先進器件是非常有意思的事情。」

此外，研究人員也解釋了計算模型的其他發現。新型晶體管由普渡發現公園的比克納米技術中心製備。

未來研究將包括探索諸如閃爍體、天體物理學成像技術和高能輻射感測器等工作。

墨爾本大學開發出

世界上首個石墨烯電流成像新技術

【據今日科學網站2017年4月26日報道】墨爾本大學研究人員開發出二維石墨烯中電子運動成像新技術，是世界上首次研製出石墨烯電流成像新技術，有助於推動下一代電子產品的發展。

新技術能對超結構（僅一個原子厚度）中的電子運動行為成像，克服了現有方法對超薄材料器件中電流理解的重大局限。

墨爾本大學量子計算與通信技術中心副主任勞倫德·霍倫伯格教授說：「未來，基於超薄材料的下一代電子器件特別容易存在微小裂縫和缺陷，因而破壞電流。」

由霍倫伯格教授領導的研究團隊，利用量子探針對石墨烯中的電流成像。該探針基於一個原子大小的「顏色中心」，並且只在金剛石中發現。

「如果研究人員了解了缺陷是如何影響電流的，那麼將提高現有技術和新興技術的可靠性與性能。我們對此結果非常地激動，這使得我們能揭示量子計算器件、石墨烯及其它2D材料中電流的微觀行為。」

「研究人員在硅基納米電子學原子大小製備領域已取得巨大進步，硅基納米電子學可用於量子計算機。像石墨烯片，這些納米電子結構基本上僅有一個原子厚度。新型感測技術的成功意味著我們有希望觀察納米電子結構中的電子運動情況，有助於我們今後了解量子計算機如何運作。」

除此之外，新技術與二維材料可用於開發下一代電子器件、能源儲存（電池）、柔性顯示器和生物化學感測器。

墨爾本大學量子計算與通信技術中心Jean-Philippe Tetienne博士說：「我們的技術非常強大並且實現簡單，因而很多學科的研究人員和工程師可採用它。」

「在物理學中，利用運動電子的磁場是傳統想法，但這是在21世紀應用的微型計算機上的新穎實現。」

基於金剛石的量子感測研究人員和石墨烯研究人員合作開發出新技術，這對於克服金剛石和石墨烯的技術問題至關重要。

墨爾本大學物理系石墨烯研究人員Nikolai Dontschuk說：「在此之前，沒有人能看到石墨烯中的電流情況。」

「製作一個由石墨烯與金剛石氮-空位顏色中心相結合的器件，是非常有挑戰的。但是，我們的方法是非入侵且強大的，我們不會以這種方式感應電流，從而破壞它。」

Tetienne解釋了研究團隊是如何利用金剛石成功對電流成像。

「我們的方法是在金剛石上照射綠色激光，並且觀察到由於顏色中心對電子磁場的響應而產生的紅光。」

「通過分析紅光的強度，我們確定了由電流產生的磁場，並且能夠對其進行成像，並看到材料缺陷的影響。」

美研究人員製備出

新型碳納米管編織物薄膜可

極大增強柔性電子設備的機械強度及可靠性

【據今日科學網站2017年4月21日報道】金屬薄膜的結構魯棒性(Robustness)對於健康監測感測器等智能柔性電子設備的可靠運行十分重要。整齊排列的均一碳納米管薄片應用範圍很廣，跨越從微觀到宏觀的多個尺度，包括微機電系統（MEMS）、超級電容器電極、電纜、人造肌肉和多功能複合材料等。

近日，受自然界及古代複合材料結構的啟發，伊利諾伊大學烏爾班納-香檳分校的的研究人員合成出了兼具高導電性及50倍於電子工業用銅膜韌性的碳納米管（CNT, Carbon Nanotube）編織物，有望大幅度增強柔性電子設備的機械強度及可靠性。值得一提的是，該研究首次將斷裂力學原理應用於對碳納米管編織物的設計和對其納米結構韌性的研究當中。

早在上個世紀九十年代，碳納米管就被稱為「神奇材料」而應用於多種納米技術當中。「神奇材料」這種稱法毫無疑問是十分正確的。這些微小的圓柱結構體由石墨烯薄片捲曲而成，直徑僅有幾個納米（大約為頭髮絲的千分之一）。單根碳納米管的強度高於鋼鐵和碳纖維，密度小於鋁，且具有優於銅的導電性。但是，利用碳納米管構建如紡織品或薄膜等材料並在厘米或米的宏觀尺度下仍然能保持單根碳納米管的優良特性卻十分困難。最大的挑戰來自於對碳納米管的組裝與編織，因為碳納米管尺寸太小且幾何結構很難控制。

研究人員表示，正是由於對碳納米管編織物斷裂能的研究指導他們設計出了這些極其堅韌的碳納米管薄膜材料。研究人員以標題為「採用碳納米管毛細管拼接技術製備納米導電編織物」的研究論文，將其研究成果發表在《先進工程材料》期刊上。

具體工藝細節如下：

最初，研究人員將催化劑放置在氧化硅襯底上，利用化學氣相沉積法沿垂直方向生長碳納米管並將其平行排列成5微米寬、10微米長、20到60微米高的形狀。

工藝中交錯排列的催化劑圖形受到了磚塊和灰漿設計思想的啟發，這樣的材料組織結構在一些堅固的天然材料中很常見，如骨骼、珍珠層、玻璃海綿和竹子等。而對於如何將碳納米管固定在一起，研究人員借鑒了五千多年前古埃及人製作亞麻紡織品時所採用的拼接工藝。通過對包括微軋和簡單機械壓縮等多種機械方法的嘗試，他們最終選擇利用自驅動毛細作用力將碳納米管固定在一起。

柔性電子設備需要經受重複的彎曲和拉伸動作，極易出現機械故障。將新型碳納米管編織物簡單封裝在彈性體陣列中，可被用於智能紡織品、智能皮膚以及更重柔性電子設備的製作當中。由於具有極高的韌性，新型碳納米管編織物將成為金屬薄膜材料的替代材料使柔性電子設備的可靠性得到進一步的增強。

美國發明出寬頻寬、小體積的

波導模式轉換器

【據激光電子世界網站2017年4月18日報道】美國哥倫比亞大學研究人員發明了一種通過使用納米天線來控制在光在波導中高效傳播模式的方法。為了演示這種技術，他們構建了光子集成器件。該器件不僅具有創紀錄的小尺寸，而且還能夠在前所未有的廣泛波長範圍內保持最佳性能。

該光子集成電路可以通過多個模式，即模分復用（MDM）技術引導數據來提升波導數據速率，而不僅僅是單個模式。因此，操縱模式的能力變得非常重要。在此引入模式轉換器。

沿波導傳播的光波的光功率被限制在波導的核心內，研究人員只能通過波導表面附近存在的小的漸逝「尾跡」探尋導波。這些引導波特別難以操縱，因此光子集成器件的尺寸往往較大，從而限制晶元的器件集成密度。

哥倫比亞大學的研究小組發現，在波導管中控制光最有效的方法是用光學納米天線來「裝飾」波導。該納米天線將光從波導芯內部拉出，修改光的性質，再將光釋放回波導。密集堆疊的納米天線陣列的累積效應非常強，可以在不超過兩倍波長的傳播距離內實現波導模式轉換等功能。

哥倫比亞大學教授，研究人員Nanfang Yu說：「考慮到實現波導模式轉換的常規方法需要長達數百倍波長的器件，這是一個突破。我們已經能夠將設備的尺寸減小10到100倍。」

Yu計劃接下來將可調諧光學材料納入光子集成器件，以實現對波導中傳播的光的主動控制。這些有源裝置將是增強現實護目鏡的基本構件，首先確定佩戴者的眼睛像差，然後將像差校正圖像投影到眼睛中，他和他的哥倫比亞工程部的同事Michal Lipson，Alex Gaeta，Demetri Basov吉姆·霍恩和哈里斯·克里希納斯瓦米正在努力。Yu還在探索將波導中傳播的波轉換成強表面波，最終可用於片上化學和生物感測。

日本東北大學開發出

硅基紫外光感測器量產技術

【據今日科學網站2017年4月20日報道】日本東北大學和SII半導體公司合作開發出硅基紫外光感測器量產技術，可用於智能手機和可穿戴設備，有助於推動物聯網的發展。

近年來，衛生界越來越關注防止晒傷和皮膚雀斑。因此，採用智能手機或可穿戴設備測量紫外光對醫療保健和美容醫學是非常有益的。事實上，人們越來越頻繁地使用紫外光乾燥機和採用紫外光固化油墨的紫外光印表機，因而，工業領域對測量不可見紫外光的需求也逐漸增長。

新型紫外光感測器技術由東北大學工學系菅谷真二教授和黑田隆副教授領導的研究團隊開發，利用硅半導體選擇性探測並測量紫外-A(315~400nm)和紫外-B(280~315nm)光波段的光強。這是造成晒傷和皮膚雀斑的光波段。多功能硅半導體感測器更適用於電路集成，並且與化合物半導體紫外感測器相比，增加了更多功能。

傳統上，硅光電二極體紫外光感測器採用光濾波器隔斷不需要的可見光波段。通過利用具有高和低紫外線光敏度的硅光電二極體的差分光譜響應，研究人員開發出可選擇紫外光波段的感測器，這樣就省去了光濾波器。

這種無濾光結構可防止感測器入射紫外光強度降低，因而具有較高的靈敏度。

2011-2013年，菅谷真二和黑田隆參與日大學部技局SENTAN-項目，開發出硅光電二極體技術，提供190~1100nm寬的光譜響應，並具有高抗紫外光性能。

目前，該硅光電二極體技術已用於紫外光感測器量產技術，它利用新引入的差分光譜響應方法。然後，將所開發的紫外光感測器載入到小型透明樹脂封裝包，對於組裝幾乎沒有限制，這使其適用於智能手機和可穿戴設備。預計該技術還可用於紫外光探測和測量。

俄羅斯科學家正在開發一種「永久性」石英數據盤。該項目是在前景研究基金會與俄聯邦教科部共同支持下，依託俄羅斯門捷列夫化工大學實施的，目的是研發石英玻璃或其它硅氧化物玻璃材質納米點陣上的光存儲技術。

俄羅斯前景研究基金會的項目負責人稱，這項研究將引起檔案存儲業革命，因為正在研發的這種石英數據盤能夠存儲信息超過數百年甚至長達千年之久，而且可無限次地讀取信息。其存放條件也沒有特殊要求，既不需要對其定期重寫、也無需人工干預。新型信息載體不但體積小、存儲量大，而且對極端氣候影響、強侵蝕性化學試劑、各類電離輻射、靜電荷作用、高溫甚至火災等不利外部因素都具有極高的耐受性。

目前俄科學家已研製出在連續旋轉載體上實現數據多層寫入和讀取的設備，正在研製載體本身及其電子和光學元器件的材料。為保證數據操作和相當於現代光碟機動器甚至更高水平的響應速度，研究人員正在開發專業化程序軟體。

俄國內的檔案專家正在期盼這種「永久性」石英數據盤的誕生。新載體能夠長期存儲信息和反覆讀取信息，未來就沒有必要浪費大量紙質信息載體，從而節約數以億計（盧布）的存檔費用。

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