一種“不怕熱”電子元件的研究，最近“火”了。由南京大學(xué)教授新研發(fā)的被稱為“三明治”結(jié)構(gòu)的新材料電子元件，可耐340℃的高溫。

　　手機(jī)因?yàn)楦咚龠\(yùn)行，或者被太陽(yáng)直射，電腦由于軟件程序太大等，都會(huì)發(fā)生電子元件溫度過(guò)高，導(dǎo)致機(jī)器自動(dòng)斷電。主持此項(xiàng)研究的南京大學(xué)物理學(xué)院教授繆峰介紹說(shuō)，這項(xiàng)研究致力于有效地實(shí)現(xiàn)電子元件“不怕熱”“耐高溫”。據(jù)悉，繆峰研究團(tuán)隊(duì)最近在電子學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊　《自然　·　電子學(xué)》(Nature Electronics)　雜志上發(fā)表了他們的工作成果。

　　目前手機(jī)電腦電子元件受制于125℃工作溫度極限

　　據(jù)介紹，目前使用的手機(jī)和電腦等電子產(chǎn)品中，大量用于運(yùn)算和儲(chǔ)存的電子元件受制于125℃的工作溫度極限。一旦超過(guò)這個(gè)溫度，大部分元件都會(huì)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果出錯(cuò)和數(shù)據(jù)丟失的情況。繆峰介紹說(shuō)：“也正因?yàn)槿绱耍�電子工程師們不得不在手機(jī)和電腦里設(shè)置一個(gè)高溫保護(hù)機(jī)制，一旦溫度過(guò)高就自動(dòng)切斷電源。很多人在使用手機(jī)或者電腦玩游戲時(shí)，內(nèi)部電子元件的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致其溫度迅速升高，最終引發(fā)高溫保護(hù)，自動(dòng)關(guān)機(jī)。”

　　電子元件“怕熱”是一個(gè)長(zhǎng)期困擾電子工程師們的世界性難題。這個(gè)問(wèn)題不僅僅出現(xiàn)在手機(jī)電腦這些日常電子產(chǎn)品中，在航天航空、軍事、地質(zhì)勘探和石油天然氣鉆井等高精尖領(lǐng)域中，電子元件需要面臨更加極端的溫度環(huán)境，往往需要能在300℃以上的高溫下穩(wěn)定工作。繆峰介紹說(shuō)，傳統(tǒng)電子元件基本不太可能滿足這個(gè)要求，目前解決這個(gè)問(wèn)題的主要辦法，是通過(guò)冷卻系統(tǒng)來(lái)為電子元件降溫。“譬如為了安全性考慮，現(xiàn)在飛機(jī)一般會(huì)有兩個(gè)引擎，每一個(gè)引擎又有兩套電子控制系統(tǒng)，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(tǒng)。這個(gè)額外配置的冷卻系統(tǒng)導(dǎo)致成本和能耗增加，并降低可靠性。如果能夠解決這一難題，實(shí)現(xiàn)電子元件在極端溫度環(huán)境下的正常運(yùn)行，引擎運(yùn)行的成本、能耗降低，安全性、穩(wěn)定性會(huì)更高。”

　　這些年來(lái)科學(xué)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(tuán)隊(duì)研究的這類電子元件叫做憶阻器(記憶電阻)，顧名思義，它是一種基于“記憶”外加電壓或電流歷史而動(dòng)態(tài)改變其內(nèi)部電阻狀態(tài)的電阻開(kāi)關(guān)，是一種運(yùn)算和存儲(chǔ)元件。由于擁有超小的尺寸、極快的擦寫速度、超高的擦寫壽命、多阻態(tài)開(kāi)關(guān)特性和良好的CMOS兼容性，憶阻器被業(yè)內(nèi)視為傳統(tǒng)運(yùn)算和存儲(chǔ)元件的潛在替代者，可應(yīng)用在未來(lái)人工智能(神經(jīng)形態(tài)計(jì)算)技術(shù)的重要候選者。

　　創(chuàng)新性突破，兩年數(shù)百次實(shí)驗(yàn)

　　在這項(xiàng)研究中，繆峰團(tuán)隊(duì)創(chuàng)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(zhì)層和電極材料，制成“三明治”結(jié)構(gòu)的范德華異質(zhì)結(jié)。選擇這兩種材料進(jìn)行嘗試正是看中了它們作為生活中常用的固體潤(rùn)滑劑，能夠在摩擦產(chǎn)生高熱的環(huán)境下穩(wěn)定工作的特性。

　　“經(jīng)過(guò)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)這種基于全二維材料的異質(zhì)結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)媲美傳統(tǒng)憶阻器的穩(wěn)定開(kāi)關(guān)：可擦寫次數(shù)超過(guò)千萬(wàn)次，擦寫速度小于100納秒，并且擁有很好的非揮發(fā)性。該結(jié)構(gòu)的憶阻器能夠在高達(dá)340℃的溫度下穩(wěn)定工作并且保持良好的擦寫性能。”繆峰介紹說(shuō)。

　　對(duì)于這類納米級(jí)的晶體材料和器件結(jié)構(gòu)，最大的挑戰(zhàn)來(lái)自兩個(gè)方面。第一，中間部分最核心材料的最優(yōu)化選擇。繆峰說(shuō)：“我們選擇了二硫化鉬，需要對(duì)它進(jìn)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(dá)到最優(yōu)，這是需要摸索的，多不行，少也不行，最后經(jīng)過(guò)我們的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了最優(yōu)的氧化參數(shù)。”第二，這個(gè)“三明治”結(jié)構(gòu)界面的最佳控制。“界面中有沒(méi)有雜質(zhì)，有沒(méi)有空氣、水等，這些都會(huì)影響器件性能。最后，在經(jīng)歷了兩年數(shù)百次的實(shí)驗(yàn)后，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)具有原子級(jí)精度的界面的有效控制。”

　　據(jù)悉，繆峰團(tuán)隊(duì)同時(shí)還和南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的王鵬教授課題組合作，利用透射電子顯微鏡對(duì)這一新型“三明治”結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)該憶阻器的耐熱性來(lái)源于硫氧化鉬晶體超高的熱穩(wěn)定性，并進(jìn)一步揭示了這類器件中基于氧離子遷移的工作機(jī)制。研究結(jié)果顯示，這類憶阻器在擦寫過(guò)程中一直被具有超高熱穩(wěn)定性的單晶石墨烯和層狀硫氧化鉬很好地保護(hù)著，保證了高溫擦寫過(guò)程中的穩(wěn)定性。

　　多年研究積累，期待項(xiàng)目盡快投入應(yīng)用

　　作為國(guó)家青年人才入選者，繆峰2012年歸國(guó)后即回到母校南京大學(xué)物理學(xué)院，并成立了自己的課題組，主攻固體電子學(xué)和凝聚態(tài)物理。之前，他在美國(guó)加州大學(xué)河濱分校完成博士學(xué)位，并在硅谷惠普實(shí)驗(yàn)室工作三年。回國(guó)近六年來(lái)，這位80后博導(dǎo)帶領(lǐng)他近20人的團(tuán)隊(duì)，重點(diǎn)研究以石墨烯為代表的二維材料，聚焦相關(guān)領(lǐng)域的重大難題開(kāi)展攻關(guān)，在二維材料新型電子和光電元件的應(yīng)用基礎(chǔ)方面做了很多工作。

　　“這個(gè)研究工作不僅展示了二維層狀材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)在憶阻器領(lǐng)域中的巨大應(yīng)用前景，對(duì)未來(lái)極端環(huán)境下電子元件的設(shè)計(jì)與研究有著重要的指導(dǎo)意義；同時(shí)也令我們認(rèn)識(shí)到，二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以結(jié)合不同二維材料的優(yōu)異性質(zhì)，給學(xué)界和業(yè)界提供了一種解決其他領(lǐng)域電子器件技術(shù)挑戰(zhàn)的可能的通用途徑。”

　　繆峰在接受本報(bào)記者采訪時(shí)表示，目前這項(xiàng)科研成果還僅停留在實(shí)驗(yàn)室層面，已分別在中國(guó)和美國(guó)申請(qǐng)專利，相信有望較快進(jìn)入應(yīng)用階段，“可以想象，這種元件如果應(yīng)用于手機(jī)和電腦等電子產(chǎn)品，以及航天航空、地質(zhì)勘探等極端環(huán)境中作業(yè)的電子設(shè)備，都能很好地解決機(jī)器抗熱的問(wèn)題，令工業(yè)器械很大程度上擺脫對(duì)散熱冷卻系統(tǒng)的依賴。”