0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

半导体材料胶体金刚石问世!

工程师邓生 来源:Nature自然科研 作者:Nature自然科研 2020-11-17 16:26 次阅读

长期以来,科学家一直在寻找一种材料,能让光的行为像半导体中的电子一样。现在,科学家似乎找到了一种能大规模生长这种材料的方法,并有望推动计算领域的进步。

物理学家Eli Yablonovitch曾在1987年预测了一种叫做“光子带隙晶体”(photonic bandgap crystal,PBC)的材料,可以像微电路处理电子信号一样处理光子[1]。从那之后,研究人员微细加工出了一维和二维版本的PBC[2],并找到了若干应用场景。虽然可以通过直接微细加工制造出一些小型的PBC[3],但是大型的三维PBC材料仍然可见不可及,以至于它潜在的应用——新一代计算机等——也没能出现。何明昕等人在《自然》上发文报告[4],他们生长出了一种蛋白石样晶体,拥有PBC所要求的罕见结构:透明微粒子像金刚石中的碳原子一样排列。若要构建可用的PBC,需要把这些材料当成模具,从而形成瑞士奶酪一样的“反蛋白石”结构——在当前晶体包含粒子的地方形成空洞。

为了解释PBC和半导体这类材料的物理性质,想象你正在一片犁出沟的土地上奔跑,如果你的步长和沟的间距一致,你可以选择两个速度中的一个:每次踩在沟的顶部,这样跑得比较快;每次踏在泥泞的沟里,这样跑得比较慢。类似地,当一道波穿越疏密“沟”相间的周期性介质时,它同样有两种传播方式:波峰踩在介质的峰上,或是波峰踏进介质的谷底。一般来说,这样的波有两种可能的能量,分别对应这两种传播方式;任何波的能量都不可能取到二者之间的值。

在三维晶体里,这些沟的间距和间隙能量取决于波的传播方向与晶格轴之间的夹角。但对于某些晶体来说,在一段波能量范围内,波在任何方向上都无法传播,这段能隙也被称为“带隙”(bandgap)。在硅晶体半导体中,波就是电子,带隙意味着特定能量的电子不可能存在,晶体管一类的元件便应运而生——这种小开关在现代电子器件中无处不在。

图1 | 生长蛋白石样晶体,该晶体具有研究人员长期追求的类似于金刚石的结构。a,何明昕等人[4]合成了一种微观塑性粒子:四个球体合并成一个四面体形状,每个面的中心都有一块凹陷的粘性贴片。图中的部分粘性贴片被标成了蓝色。b,当悬浮在水中的时候,这些粒子之间就会由粘性贴片粘在一起,自发形成蛋白石样的有序材料,而这些粒子的排列也类似于晶体中原子的排列方式。在图中所示的晶体中,这些粒子模仿的是金刚石中碳原子的排列。比例尺是1µm。Yablonovitch从理论上证明了光波也有类似的带隙现象,但这种现象只存在于少数与金刚石晶格相似的晶体结构中,而且必须由特定透明材料制成的微观粒子构成。碰巧的是,这种尺度的微粒子通常会自发排列成类似的有序结构,这种结构被称为胶体晶体(colloidal crystal)。事实上,蛋白石就是自然形成的硅粒子化石胶体晶体,而蛋白石所发出的光泽就是源于上面提到的能隙。当光线射到蛋白石上,一些光子的能量(对应一种颜色)正好处于带隙之中。这种光子无法进入晶体,便达到了近100%的反射率。带隙能量(以及反射的颜色)取决于入射光的方向,给了蛋白石特有的“火焰”色。

上世纪90年代,人们乐观地认为有一种简单的方法能制造出类似金刚石的胶体晶体,但事实上,需要二十多年的积淀和多次技术革新[5],才让何明昕等人的成果有了实现的可能。在金刚石晶格中,每个粒子都和四个最近的相邻粒子等距相连。但要形成金刚石,每个粒子只与四个相邻粒子相连是不够的。当两个粒子接近时,它们还必须旋转到正确的角度,这样和它们相连的其他六个粒子才能达到正确的相对取向。

为完成这一艰难操作,何明昕等人合成了一种有点像充气动物气球的微观塑性“积木”。每块积木由四个球体构成一个四面体。四面体每个表面中央都有一块凹陷的粘性贴片(图1a)。当这些积木悬浮一滴水中,通过粘性贴片连接起来的积木会被迫按照需要的角度排列。于是,这些粒子就能自发组成高度有序、稳定的晶体,并具有研究人员一直梦寐以求的金刚石结构(图1b)。

作者目前合成出的晶体仅有约10万个粒子,重量不到1微克。不过,将他们的工艺推广到大规模应当没有什么困难。到那时,只要用化学方法向这些晶体的空隙中填满纯硅(对应红外线)或二氧化钛(对应可见光),并将这些粒子溶解掉就可以了。

PBC最令人激动的一种潜在应用是量子计算机。在量子计算机里,经典计算机储存0或1的数字比特变成了可以同时取0和1的量子比特(qubit)。这种替代让密码破译时遇到困难的许多组合问题可以用量子比特快速解决。建造实用的量子计算机的挑战在于如何把许多量子比特连接起来,这通常会用到光学信号,此外还要将量子比特隔离开来,以防它们被外界的干扰打乱。

在PBC微电路中绕一圈光子能解决第一个问题,而且二维PBC已经被用来建造量子装置的原型机了[6]。但是因为目前的量子光学电路板都是很薄的二维片,因此性能也会受限——光子可能会漏出来,外界的干扰也可能漏进去。同时解决这两个问题有一个简单办法,那就是用两片三维PBC板夹住这些电路。从更大的角度看,大型PBC还能让各种技术用于制造大型量子系统[7]、利用光线进行控制,以及与经典电子器件的接口[8]。PBC技术的最终潜力和应用场景可能要看我们的想象力到底有多丰富了。

责任编辑:PSY

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 半导体
    +关注

    关注

    327

    文章

    24172

    浏览量

    201057
  • 晶体
    +关注

    关注

    2

    文章

    1276

    浏览量

    34854
  • 光子
    +关注

    关注

    0

    文章

    94

    浏览量

    14257
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    贺利氏集团投资金刚石半导体材料,与化合积电建立战略合作

    2024年3月21日,总部位于哈瑙的家族企业和科技公司贺利氏,向位于中国的高端工业金刚石材料供应商化合积电(厦门)半导体科技有限公司(简称“化合积电”)投资数百万欧元。
    的头像 发表于 03-22 16:25 477次阅读

    金刚石晶体的不同类型及应用梳理

    金刚石是我们都非常熟悉的超硬材料,人造金刚石晶体有多种不同的类型,大致可分为单形和聚形,每种类型都具有不同的特性和应用。本文梳理了金刚石晶体的不同类型及应用。
    的头像 发表于 01-02 15:47 495次阅读

    金刚石表面改性技术研究概况

    表面改性技术可有效改善金刚石与基体材料间的结合状态,解决其表面惰性强、难润湿、界面热阻大、热导率小,以及超细颗粒比表面能大、易团聚等问题。
    的头像 发表于 12-21 15:36 238次阅读

    电子封装高散热铜/金刚石热沉材料电镀技术研究

    摘要:随着半导体封装载板集成度的提升,其持续增加的功率密度导致设备的散热问题日益严重。金刚石-铜复合材料因其具有高导热、低膨胀等优异性能,成为满足功率半导体、超算芯片等电子封装器件散热
    的头像 发表于 12-04 08:10 487次阅读
    电子封装高散热铜/<b class='flag-5'>金刚石</b>热沉<b class='flag-5'>材料</b>电镀技术研究

    全球首个100mm的金刚石晶圆

    该公司使用一种称为异质外延的工艺来沉积碳原子,并在可扩展的基底上制造单晶金刚石。以前已经生产过金刚石晶片,但它是基于压缩金刚石粉末,缺乏单晶金刚石的特性。
    的头像 发表于 11-08 16:07 453次阅读

    金刚石制造半导体器件,难在哪?

    电子发烧友网报道(文/梁浩斌)金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质,与此同时,实际上金刚石还是一种绝佳的半导体材料。作为超宽禁带半导体
    的头像 发表于 10-07 07:56 1735次阅读
    用<b class='flag-5'>金刚石</b>制造<b class='flag-5'>半导体</b>器件,难在哪?

    金刚石用作封装材料

    ×10-6/℃。它不仅在半导体、光学方面表现抢眼,还有很多其他优秀的特性。虽然金刚石本身并不适合用来制作封装材料,而且成本也较高,但它的热导率可是比其他陶瓷基板材料高出几十甚至上百倍!
    的头像 发表于 09-22 17:00 342次阅读

    硅终端金刚石半导体与场效应管器件研究进展

    金刚石作为超宽禁带半导体材料的代表,近年来成为大家关注的热点。尽管在材料制备、器件研制与性能方面取得了一定进展,但半导体掺杂技术至今没有很好
    发表于 08-17 09:47 930次阅读
    硅终端<b class='flag-5'>金刚石</b><b class='flag-5'>半导体</b>与场效应管器件研究进展

    新型激光技术让金刚石半导体又近了一步

    金刚石对于半导体行业来说是一种很有前景的材料,但将其切成薄片具有挑战性。
    的头像 发表于 08-02 11:07 876次阅读

    新型金刚石半导体

    基于业界长期的研发活动,如今金刚石半导体已经开始逐步迈向实用化。但要真正普及推广金刚石半导体的应用,依然需要花费很长的时间,不过已经有报道指出,最快在数年内,将会出现
    的头像 发表于 07-31 14:34 836次阅读

    金刚石基GaN问世 化合物半导体行业进入第三波材料技术浪潮

    材料往往因特定优势而闻名。金刚石正因为在室温下具有最高的热导率(2000W/m.K),兼具带隙宽、击穿场强高、载流子迁移率高、耐高温、抗酸碱、抗腐蚀、抗辐照等优越性能,而在高功率、高频、高温领域有至关重要的应用。金刚石,已被认为
    的头像 发表于 07-19 10:29 465次阅读
    <b class='flag-5'>金刚石</b>基GaN<b class='flag-5'>问世</b> 化合物<b class='flag-5'>半导体</b>行业进入第三波<b class='flag-5'>材料</b>技术浪潮

    基于金刚石优异内在特性的光子学应用

      人造钻石生产的进步,使新的光子学技术成为了可能,但这些新技术在服务量子应用方面仍然存在许多挑战。 过去十余年中,受到一系列关键技术趋势和市场需求的推动,许多利用金刚石特殊物理特性的商用、新兴光子
    的头像 发表于 06-28 11:03 374次阅读

    金刚石半导体,全球首创

    与传统上用于半导体的硅和其他材料相比,金刚石可以承受更高的电压,可以以更高的速度和频率运行,并且可以用于外层空间等高辐射环境。金刚石半导体
    的头像 发表于 06-12 15:17 1266次阅读
    <b class='flag-5'>金刚石</b><b class='flag-5'>半导体</b>,全球首创

    金刚石半导体”中隐藏的可能性

    金刚石半导体具有优异的特性,作为功率器件材料备受期待。
    的头像 发表于 06-05 18:17 1460次阅读
    “<b class='flag-5'>金刚石</b><b class='flag-5'>半导体</b>”中隐藏的可能性

    下一代高频高功率电子器件——金刚石半导体

    金刚石是一种“终极材料”,在硬度、声速、热导率、杨氏模量等方面具有所有材料中最好的物理性能;其他性能包括从紫外线到红外线的宽波长光谱的透射率、热稳定性和化学稳定性以及可控的电阻和导电性。这些特性使
    发表于 05-23 12:41 1325次阅读
    下一代高频高功率电子器件——<b class='flag-5'>金刚石</b><b class='flag-5'>半导体</b>