聚焦2013年电子科技行业十大前沿技术

2013-12-17 16:57:11来源: 互联网

    岁月如梭,时光匆匆,时间又来到了岁末。时间推动历史的车轮一步步向前行进,科技创新驱使现代生活一点一滴发生着改变。在即将过去的2013年里,电子科技行业给人们带来了哪些亮眼的创新呢?小编为大家整理出了本年度电子科技行业十大前沿技术。一家之言,仅作茶余饭后消遣。

    在即将过去的这一年中,意念控制正一步步走近现实;纳米技术在电子科技行业渐渐展露头角;新电池技术、无电池技术如科幻般进入人们眼帘;中国一次次展现了科技强国的决心与坚定的脚步……

1、全球首个半浮晶体管问世 中国集成电路技术新突破

    北京时间2013年8月9日出版的最新一期《科学》杂志(Science)刊发了复旦大学微电子学院张卫团队最新科研论文,该团队提出并实现了一种新型的微电子基础器件:半浮栅晶体管(SFGT,Semi-Floating-Gate Transistor)。这是我国科学家在该顶级学术期刊上发表的第一篇微电子器件领域的原创性成果。

    据悉,当代集成电路科技的发展主要是基于摩尔定律,该定律是由英特尔公司创始人之一戈登?摩尔提出的:芯片上的晶体管特征尺寸在不断地缩小,使得芯片上的晶体管数量每隔18个月便会增加一倍。

    目前,集成电路的量产技术已发展到了22纳米技术节点,尽管我国在自主知识产权集成电路技术上取得了长足进步,但集成电路的核心技术基本上依然由国外公司拥有。我国集成电路产业主要依靠引进和吸收国外成熟的技术,在微电子核心器件及集成工艺上缺乏核心技术。半浮栅晶体管(SFGT)作为一种新型的微电子基础器件,它的成功研制将有助于我国掌握集成电路的核心技术,从而在芯片设计与制造上逐渐获得更多话语权。

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微电子学院实验室检测台

    半浮栅晶体管(SFGT):结构巧 性能高

    金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)是目前集成电路中最基本的器件,工艺的进步让MOSFET晶体管的尺寸不断缩小,而其功率密度也一直在升高。我们常用的U盘等闪存芯片则采用了另一种称为浮栅晶体管的器件。闪存又称“非挥发性存储器”。所谓“非挥发”,就是在芯片没有供电的情况下,信息仍被保存不会丢失。这种器件在写入和擦除时都需要有电流通过一层接近5纳米厚的氧化硅介质,因此需要较高的操作电压(接近20伏)和较长的时间(微秒级)。复旦大学的科学家们把一个隧穿场效应晶体管(TFET)和浮栅器件结合起来,构成了一种全新的“半浮栅”结构的器件,称为半浮栅晶体管。

    “硅基TFET晶体管使用了硅体内的量子隧穿效应,而传统的浮栅晶体管的擦写操作则是使电子隧穿过绝缘介质。”论文第一作者王鹏飞教授解释说。“隧穿”是量子世界的常见现象,可以“魔术般”地通过固体,好像拥有了穿墙术。“隧穿”势垒越低,相当于“墙”就越薄,器件隧穿所需电压也就越低。把TFET和浮栅相结合,半浮栅晶体管(SFGT)的“数据”擦写更加容易、迅速。“TFET为浮栅充放电、完成‘数据擦写’的操作,‘半浮栅’则实现“数据存放和读出”的功能。”张卫解释说,传统浮栅晶体管是将电子隧穿过高势垒(禁带宽度接近8.9 eV)的二氧化硅绝缘介质,而半浮栅晶体管(SFGT)的隧穿发生在禁带宽度仅1.1 eV的硅材料内,隧穿势垒大为降低。打个比方,原来在浮栅晶体管中,电子需要穿过的是一堵“钢筋水泥墙”,而在半浮栅晶体管中只需要穿过“木板墙”,“穿墙”的难度和所需的电压得以大幅降低,而速度则明显提升。这种结构设计可以让半浮栅晶体管的数据擦写更加容易、迅速,整个过程都可以在低电压条件下完成,为实现芯片低功耗运行创造了条件。

    新型晶体管可在三大领域应用 拥有巨大的潜在市场

    作为一种新型的基础器件,半浮栅晶体管(SFGT)可应用于不同的集成电路。首先,它可以取代一部分的SRAM,即静态随机存储器。SRAM是一种具有高速静态存取功能的存储器,多应用于中央处理器(CPU)内的高速缓存,对处理器性能起到决定性的作用。传统SRAM需用6个MOSFET晶体管才能构成一个存储单元,集成度较低,占用面积大。半浮栅晶体管则可以单个晶体管构成一个存储单元,存储速度接近由6个晶体管构成的SRAM存储单元。因此,由半浮栅晶体管(SFGT)构成的SRAM单元面积更小,密度相比传统SRAM大约可提高10倍。显然如果在同等工艺尺寸下,半浮栅晶体管(SFGT)构成的SRAM具有高密度和低功耗的明显优势。

    其次,半浮栅晶体管(SFGT)还可以应用于DRAM领域。DRAM(Dynamic Random Access Memory),即动态随机存储器,广泛应用于计算机内存。其基本单元由1T1C构成,也就是一个晶体管加一个电容的结构。由于其电容需要保持一定电荷量来有效地存储信息,无法像MOSFET那样持续缩小尺寸。业界通常通过挖“深槽”等手段制造特殊结构的电容来缩小其占用的面积,但随着存储密度提升,电容加工的技术难度和成本大幅度提高。因此,业界一直在寻找可以用于制造DRAM的无电容器件技术,而半浮栅晶体管(SFGT)构成的DRAM无需电容器便可实现传统DRAM全部功能,不但成本大幅降低,而且集成度更高,读写速度更快。

2、石墨烯新进展 神奇之碳再写神奇

    碳科学一直是科学界研究的重点。石墨烯更是早已成为物理学界研究的前沿课题。自从2010年诺贝尔物理学奖引发了石墨烯疯狂,科技行业对石墨烯的研究与关注就从未停止。

    日前,北京大学、美国弗吉尼亚联邦大学和中科院上海技术物理研究所的科学家组成国际科研团队,通过理论计算,推算出一种能够在常温常压下保持金属形态的三维碳,并于美国《国家科学院院刊》在线发表了相关论文。该项研究或将揭开“是否存在于常温常压下保持金属形态的碳”之谜。那么,作为一直被热炒的对象、号称神奇之碳的石墨烯,它的研究又取得了哪些进展呢?

    石墨烯无缝集成电路架构 噪声容限更高、静态功耗更低

    美国科学家研制出了一种新的集成电路架构并做出了模型。在这一架构内,晶体管和互连设备无缝地结合在一块石墨烯薄片上。发表在《应用物理快报》杂志上的这项最新研究将有助于科学家们制造出能效超高的柔性透明电子设备。

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    目前,用来制造晶体管和互联设备的都是大块材料,因此很难让集成电路变得更小,而且大块材料也容易导致晶体管和互联设备之间的“接触电阻”变大,而这两方面都会降低晶体管和互联设备的性能并增加能耗。基于石墨烯的晶体管和互连设备极具前景,有望解决这些基本问题。

    该研究的领导者、加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)电子和计算机工程系教授、纳米电子设备研究实验室主任高斯塔夫˙巴纳吉表示:“石墨烯除了是目前最纤薄的材料之外,其还具有一个可调谐的带隙。狭窄的石墨烯带能被用来制造半导体;而宽的石墨烯带是金属。不同的石墨烯带可以制成不同的设备,制成的设备可以无缝地结合在一起,这样也可以降低接触电阻。”

    在实验中,巴纳吉研究团队使用非平衡格林函数(NEGF)来对包含有如此多异质结构的复杂电路架构的性能进行评估,并研究出了一种方法,设计出了这种“全石墨烯”的逻辑电路。该研究的合作者康家豪(音译)表示:“对电子通过由不同类型的石墨烯纳米带制造的设备和互连设备的情况以及跨过其接口的情况进行精确的评估是我们的电路设计成功并达到最优化的关键。”

    石墨烯研究领域的大咖、哥伦比亚大学的物理学教授菲利普˙吉姆表示:“这项研究通过使用一种全石墨烯的设备——互联架构,为传统集成电路会遇到的接触电阻问题提供了一种解决办法,这将显着简化基于石墨烯的纳米电子设备的集成电路构建过程。”

    结果表明,与目前的集成电路技术相比,新的全石墨烯电路的噪声容限更高,且耗费的静态功耗低很多。另外,巴纳吉表示,随着石墨烯研究领域不断取得进展,这种全石墨烯电路有望在不久的将来成为现实。

3、全新操控技术:意念控制将从科幻走进现实

    纽约时报撰文报道了最新意念操控的技术发展,可能几年之后,我们就可以双手插袋,用意念控制家中的灯具开关,或者控制电脑撰写 email。

    从巨型的电子计算机到 Google Glass 等可穿戴设备,人类与机器的沟通方式已经从繁琐的计算机语言,简化成细微的身体动作——点头就可触发 Google Glass 的开关,眨眼即可拍摄照片。

    很快,这些动作可能都不需要了。今天纽约时报撰文报道了最新意念操控的技术发展,可能几年之后,我们就可以双手插袋,用意念控制家中的灯具开关,或者控制电脑撰写 email。

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    这种技术一般被称作“脑机接口”(Brain-Computer Interface,简称 BCI),本来主要用于让瘫痪或者残疾人士使用意念控制电脑或者机器外肢。而这种技术,经过 30 年的发展,现在准备应用于消费者电子产品。

    麻省理工学院科技评论(MIT Technology Review)近日披露了三星的新兴科技实验室正在测试的一项新技术——利用大脑控制的平板电脑。实验还在推进当中,目前,要控制平板还需要佩戴一顶镶嵌了监测电极的帽子。

    位于加州的 NeuroSky 公司,早前发布了一款意念控制的猫耳装置,佩戴之后猫耳会根据人的喜怒哀乐而竖起,垂下以及摆动。最近他们还发布了一款蓝牙耳机,可以让用户使用意念万平板和智能手机上的游戏。而 Emotiv,则正在销售一款很有未来感的耳机,可以读取脑电波,通过情绪和意念来搜索 Flickr 的图片,而不需要使用关键字。

4、一样的能量 不一样的电池技术

    全新液流电池 属于未来的电池

    美国麻省理工学院(MIT)终于研究出既便宜又高效的可循环使用液流电池,可以储存间歇性能源,比如太阳能、风能,发电量是大部分锂电池的10 倍。那么究竟什么是液流电池呢?它是一种通过两种带有相反电荷(电解质)的液体交换离子,然后直接将化学能转换成电能的可循环使用电池。

    什么是液流电池?

    液流电池是一种可重复充电电池,两种有着相反电荷(电解质)的液体在那交换离子,然后将化学能转换为电能。

    之前通常有一层薄膜让电解质分开,让他们交换离子的时候两种液体不混合。但往往使用的电解质成本不高,它们却要侵蚀价格并不便宜的薄膜,这也就大大缩短了电池的寿命。所以研究人员实现目标的最好办法就是直接撤掉薄膜的使用。

    为了让两种液体不会混合在一起,研究人员采用了液流体动力学中的层液流技术将它们放置在容器中。 电解质存储会跟电池本身分开,有两个槽装着电解质,这意味着电池的大小可以轻易控制,只要改变槽的大小就可改变电池的尺寸。发电量也会从几千万到几兆瓦不等。

    除了尺寸可调节,液流电池还有更多的好处:“可以闲置很长一段时间不失去电荷、响应时间快、通过更换电解液可以很快地充电和放电” 因为这个,前几年便有人推崇这个应该用来给电动汽车的快速充电。 另一方面,液流电池比普通电池更复杂,每一个都需要自己的泵和传感器系统。而且能量密度比一般的锂电池要低。

    这是属于未来的电池

    现在MIT给液流电池发展在性能和成本方面做了一个很好的平衡,使用的电解质不贵,代替了之前昂贵的薄膜、解决了电池寿命短的缺点。 MIT实验室的电池原型使用的是液流体动力学中称为层流的奇怪现象:当两种液体保持足够低的速度,其它条件都满足,两种电解质不会混合,从而使得薄膜多余。

    液流电池可以产生每平方厘米0.795瓦的电力,发电量是其他薄膜电池设计系统的3倍,是普通锂电池的10倍。

    之前相关团队也有涉及薄膜电池系统,但这是第一个可以自动放电和充电的节能电池,而且这个设备的放大版本经真正带来影响力,它可以以每千瓦时只需100美元。 另外有个好处是,这个技术可用在可再生能源的存储,因为阳光和风在短期内可以看做是无限的,所以可以存储大量的清洁能源作为备用。这以后将有望无间歇地转化太阳能和风能,变成我们电动车的最佳能源之选。

    科研人员用废弃稻壳制造锂电池

    7月13日消息,据国外媒体报道,韩国的一组研究人员在研究充分利用废弃稻壳,将它转化成硅,然后用于制造智能手机和混合动力汽车所需要的锂离子电池。

    大米是全球过半人口的主食。根据国际大米研究所的数据,2010年,单是中国便生产了超过1.97亿公吨的大米。

    不过大米总重量中的20%属于不可食用的稻壳,而韩国的一组研究人员想要好好利用这种废品,想要将它转化成为硅。他们的相关研究论文本周刊登在《美国国家科学院院刊》上面。

    不能吃但富含二氧化硅的稻壳可用于生产智能手机的电池

    硅最广为人知的地方在于其在半导体中的使用,不过随着智能手机和混合动力汽车对电池的需求不断增长,研究人员希望用硅来替代锂离子电池两极中的石墨。找到像稻壳这样的廉价硅来源会有助于提高这些经过改进的电池的成本效率。

    废弃稻壳还可以用于其它目的,如生产砖块和为厨灶提供燃料。不过撰写上述论文的其中一位研究人员Jang Wook Choi认为,将稻壳转化为硅不会对它的其它用途造成破坏。

    “从经济角度来看,我想那会是可行的方案。”Jang Wook Choi指出,“制造电池所需的稻壳要远远少于脱籽过程中产生的稻壳量。因此,稻壳供应量会非常充足。”

    研究人员利用热量和酸从稻壳中提取出二氧化硅,然后将二氧化硅转化成硅,再将硅用于锂离子电池。他们发现,这类电池比用传统硅合金制造的电池要更加高效。

    微型超级电容器:数秒完成手机充电

    加州大学洛杉矶分校的研究人员日前发明了一种以石墨烯为基础的微型超级电容器,令人称奇的是,该电容器不仅外型小巧,而且可以在数秒内为手机甚至汽车充电。

    据英国《每日邮报》网站3月1日报道,这种电容器用仅有一个原子厚度的碳层制成,其充电和放电的速度比标准电池快百倍甚至千倍。

    该校材料科学与工程专业的教授理查德·卡纳说:“蓄电器与电路的集成过程很具挑战性,经常限制整个系统的小型化。”而他的团队研发的新电池型号更小,适合多种电器使用。

    另外该研究团队还发现了一种生产这种新型电池的简易方法,只需用到常见的DVD刻录机即可。目前制造微型超级电容器比较普遍的方法是平版印刷技术,但是这需要投入大量人力,所以很难生产出成本划算的设备,从而限制了该产品的商业应用。

    卡纳介绍说:“只需一台普通的DVD光雕刻录机,我们就能在不到30分钟的时间内,在一张光盘上生产出100多个石墨烯微型超级电容器,成本只是传统设备的一小部分。而且所用材料都很便宜。”超级电容器电池的两极需要分开放置,扩大两极之间的平面距离,以提高电量。

    研究人员透露,他们目前正在寻找电器制造商等行业合作伙伴,以快速将该产品推入市场。

5、无电池应用:微型能量收集技术

    市场现状与趋势

    “事实上,微型能量收集并不是一个全新的概念,它之所以一直没有被真正的广泛应用的最大原因是其能量收集端所能收集到的能量和其实际能够推动的能量消耗端所消耗的能量之间一直处于不平衡的状态,简单点说就是其收集的能量不够用。可喜的是随着传感器、MCU、RF等器件功耗的不断降低,以及微型能量收集电源管理IC技术的突破,使得系统能量收支逐渐趋于平衡。”富士通半导体市场部高级经理王韵介绍说。

    而据日经BP社的测算,这类应用的能量收集和能量消耗情况在2010年和2011年阶段的时候已经非常接近,而2011年以后,他们认为微型能量收集技术所能收集的能量已经完全可以用于能量消耗的部分。

    另据美国InnovativeResearchandProducts(iRAP)公司的调查显示,到2014年,整个微型能量收集的市场规模将达到12.54亿美元。而从2009年开始,其市场一直保持每年73%的高增长率。

    英国的IDTechEx公司也曾提供数据:“能量收集与能源类相关设备市场规模将由2010年的4.4亿美元增长至2020年的6.05亿美元”,微型能量收集技术将成为一个非常有潜力的市场。

    将无电池应用变为现实

    我们的生活圈中存在各种能量,如光、热、无线电波和振动等,如下图1所示。这些能量以太阳能、电磁、压电等形式输入能量收集电源管理IC(PMIC),用于能量收集。输出功率可以用于传感器、低功耗MCU或存储在存储元件中,如双电层电容和全固态二次电池。

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图1:能量收集系统配置

    富士通半导体及合作伙伴们一直在设想有哪些应用方案可以使这些生活中随处可见的能源被收集起来。王韵例举了几种非常有意思的能量收集应用。如下图2所示,这些应用包括:无需钥匙就能打开车门、水管理系统、无电池遥控、自定位系统等。

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图2:微型能量收集技术可实现的无电池应用例子

    日常生活中,这些应用如果使用电池,就需要手动更换电池。电池确实是非常便宜,但是很多情况下对基础设施的电池进行更换的费用往往代价昂贵,而且废旧电池属于污染物。那么,此时能量收集方案就是解决方案。

    “对于微型能量收集的无电池应用(batteryless),富士通半导体关注的重要领域之一就是在物联网即所谓的传感器网络(sensornetwork)的应用,帮助这类系统中的传感器节点(sensornode)以及用于通信的RF模块实现半永久的供电。”王韵进一步指出。

    下图3的三角形显示了微型能量收集的无电池应用在云业务中的3个层级,可以看到三角形的底层即是我们所讲的传感器节点,在中间层是一些网关,而这个三角形的顶部是云业务。

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图3:为什么需要无电池解决方案?

    “在这个系统中需要数量庞大的传感器节点,并且对其中的每个传感器节点都要求能够自由维护,并可以安装在任何地方。这就决定了必须是无电池的解决方案。”王韵解释道。

6、集成电路突破半导体限制:不使用半导体的晶体管 VS 光子回路

    不使用半导体的晶体管

    据报道,美国科学家首次利用纳米尺度的绝缘体氮化硼以及金量子点,实现量子隧穿效应,制造出了没有半导体的晶体管。该成果有望开启新的电子设备时代。

    几十年来,电子设备变得越来越小,科学家们现已能将数百万个半导体集成在单个硅芯片上。该研究的领导者、密歇根理工大学的物理学家叶跃进(音译)表示:“以目前的技术发展形势看,10年到20年间,这种晶体管不可能变得更小。半导体还有另一个先天不足,即会以热的形式浪费大量能源。”

    科学家们尝试使用不同材料和半导体设计方法来解决上述问题,但都与硅等半导体有关。2007年,叶跃进开始另辟蹊径,制造没有半导体的晶体管。叶跃进说:“我的想法是用纳米尺度的绝缘体并在其顶部安放纳米金属来制造晶体管,我们选择了氮化硼碳纳米管(BNNTs)做基座。”随后,他们使用激光,将直径为3纳米宽的金量子点(QDs)置于氮化硼碳纳米管顶端,形成了量子点—氮化硼碳纳米管(QDs-BNNTs)。对于金量子点来说,氮化硼碳纳米管是完美的基座,其尺寸小、可控而且直径一致,同时还绝缘,也能对其上的量子点大小进行限制。

    研究人员同橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家们携手合作,在室温下让量子点—氮化硼碳纳米管两端的电极通电。有趣的事情发生了:电子非常精确地从一个量子点跳到另一个量子点这就是量子隧穿效应。叶跃进表示:“这种设备的稳定性非常好。”

    叶跃进团队利用这一设备制造出了一种晶体管,其中没有半导体的“身影”。当施加足够的电压时,其会打开到导电状态;当电压低或关闭时,它会恢复到其天然的绝缘体状态。而且,这一设备没有“漏网之鱼”:没有来自金量子点的电子逃进绝缘的氮化硼碳纳米管内,因此,隧道会一直保持冷的状态。而硅常遇到泄露,使电子设备中的大量能量以热的形式被浪费掉。

    密歇根理工大学的物理学家约翰·雅什查克为新的晶体管研究出了理论框架。他表示,此前也有其他科学家利用量子隧穿制造出了晶体管,但这些设备只在液氦温度(4.2K)下工作,而新设备则可以在室温下工作。

    叶跃进的金—纳米管设备的秘密就在于“小”:其仅有1微米长、20纳米宽。雅什查克解释道:“这个金岛的宽度必须在纳米级别,这样才能在室温下控制电子。如果它们太大,有很多电子可以在其上流动。从理论上而言,当电极之间的距离近到几分之一微米时,这些隧道可以小到接近零。”

    光子回路技术或取代集成电路

    电脑速度慢、手机待机时间短、最新的ipad4机体发热严重……生活中,电子产品的这些问题随处可见。由南开大学信息技术科学学院教授、长江学者袁小聪带领的课题组与美国哈佛大学卡帕索(Capasso)教授课题组合作,在国际科技期刊《科学》(Science)上发表了题目为《可重构偏振调控型表面等离激元定向耦合》的文章,在“光子回路”取代“集成电路”领域取得了重大突破,有望解决上述问题。

    据了解,传统微电子技术的特点是依靠集成电子器件提供更高的信息处理速度、存储密度和片上可集成度等能力,但受到纳米尺寸的瓶颈限制,集成电子器件已开始受到制约。与微电子技术发展并行的另一门高新技术——光电子技术,在实现集成光子回路、互联光路、光计算等功能方面显现出巨大的潜力和优势,有可能是取代“集成电路”的新一代信息技术的重要支柱,该技术的关键点是如何在纳米尺寸高度集成的芯片上实现人们像操纵电子那样操控光子。

    表面等离激元(SPPs)是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁模,经常被称为“能够实现导线传输光子”的信息载体,它在发展新一代光电子集成技术中发挥重要作用,但怎样在纳米尺寸的芯片上实现SPPs的“传输控制”是该领域的一个国际研究热点。

    袁小聪在文章中提出了一种全新的SPPs耦合方式,通过一系列亚波长“人”字形微纳金属结构,解决了目前入射光偏振态严重影响SPPs耦合效率以及SPP传播方向无法精确控制等技术难题,实现了SPPs的可重构定向耦合新机制,该研究成果对微纳光子芯片水平的SPPs产生、传输、调控、互联与探测等应用有重大积极推进作用,为未来发展SPPs大规模光电子集成与互联技术奠定了基础。

    在谈到“光子回路”未来的应用前景时,袁小聪说,近年来,如何让“光子回路”代替“集成电路”成为光学研究领域的一大热点和难点。电子产品的芯片运行速度越快,集成度越高,能耗就越大,机体也容易发热。以“光子芯片”取代传统的“电子芯片”未来有广泛的应用前景。一方面,“光子芯片”对于降低能耗、减少污染有很大帮助;另一方面,由于光子传播速度远远超出电子,也会满足用户对于电子产品运行速度、待机时间等方面的需求。

7、植入大脑的微芯片 记忆保存如计算机数据

    据英国每日邮报报道,一支美国研究小组认为,一种微芯片能够有助于建立受损大脑组织的记忆,预计未来两年内将植入志愿者大脑。来自南加州大学、维克森林大学的科学家研究分析海马体,这是大脑负责形成长期记忆(大约10年)的部分。他们认为能够计算出人类的记忆如何形成,从而植入芯片帮助局部大脑受损、中风和老年痴呆症患者恢复记忆。

    研究人员现已对老鼠和猴子大脑进行了实验,证实大脑信息可通过硅芯片的电信号进行复制。科学家指出,这种微芯片植入器可用于治疗癫痫患者。

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    至关重要的植入器:科学家研究分析海马体,它是大脑形成长期记忆的部分(图中红色部分),可保存大约10年的记忆

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记忆地图:美国斯坦福大学进行的一项独立研究建立了老鼠大脑海马体的透明动画

    这项研究令研究小组非常兴奋,他们认为一种记忆设备可能复制患者5-10年的记忆存储。南加州大学生物医学工程师、神经系统科学家特德-伯杰(Ted Berger)教授指出,我们并不是将某人的记忆返回至大脑,而是通过一个芯片植入器复制大脑记忆。

8、容量更大、保存更久:存储技术新发现

    全新电阻式RAM技术问世 单芯片可存1TB数据

    阻变存储器RAM(RRAM)是一种可以用于PC和移动设备的内部存储器,相比现在的闪存,它的速度快上许多,读写时还非常节能。今天,加州一家技术公司Crossbar宣布研发出全新电阻式RAM技术,可以在一颗比邮票还小的单芯片中存下1TB的数据,这意味着未来电子产品的存储密度将极大地提高,同时RRAM的写入性能比目前最好的NAND芯片还快上20倍,读写时的功率仅为1/20。

    取决于不同的设备,RRAM可以将设备电池寿命延长数周、数月甚至数年,使用寿命也10倍于NAND,可以说是一种完美的高速存储器。Crossbar还表示,这种存储器还可以以阵列的方式运行,他们计划将这项技术授权给其它公司使用,目前30余项专利已经被授予。

    可以把数据保存十亿年的钨晶片

    从岩石上的雕刻,到现在的磁介质数据存储,数千年来,人类一直在用各种手段保存信息。尽管在过去几十年里,人类存储的数据量出现了极大增长,但要将数据保存一段较长的时间还是十分困难。成功保存信息的关键是保证信息不丢失,但如果我们想使信息保存的时间超过人类本身,那就得有不同于日常存储所用的介质。

    来自荷兰屯特大学纳米技术研究所的研究者耶罗恩·德·弗瑞斯(Jeroen de Vries)指出,在极端长的时间内进行数据存储是有可能的。

    目前广泛应用的硬盘驱动器可以存储大量的数据,但只能在室温下使用大约10年的时间。这是因为硬盘的磁能势垒较低,因此在一段时间后,其上面储存的信息就会逐渐丢失。CD和DVD光盘、纸张、磁带、陶瓷、泥版和石头等介质的寿命也是有限的。如果要使信息保留更长的时间,我们就需要寻找新的介质。

    关于为什么要存储这么长时间的信息,我们可以设想很多场景。耶罗恩·德·弗瑞斯说:“一个场景是:一场灾难摧毁了地球,人类社会需要重建;另一个场景是,我们要为未来的智慧生命——无论是地球上的人类后代还是来自外星球——留下某种遗产。在这种情况下,你就会考虑将信息档案存储上百万年,甚至是十亿年。”

    耶罗恩·德·弗瑞斯开发了一种光学信息载体,每一个字节都是利用蚀刻技术进行书写,载体上的信息能存储极长的时间。这是一种由钨制成的晶片,用氮化硅封装起来。之所以选择钨,是因为该元素能够经受极端的温度。蚀刻到钨的表面的信息形式被称为QR码,其上面用氮化物保护起来。在大的QR码中,每个像素点都包含着较小的QR码,晶片正是以此来储存不同的信息。

    德·弗瑞斯说:“原则上,我们可以在光盘上储存任何值得保存的东西,例如蒙娜丽莎的数字图像等。在这项研究中,我们测试的是我的一份论文数字拷贝——介绍这种介质的那一章。”

    为了保证数据的稳定性,需要在信息与外界之间设置一道能量势垒,而为了证明这些数据能在数百万年之后依旧能够读取,研究人员进行了一次老化测试,以了解能量势垒是否足够保证数据不会丢失。

    德·弗瑞斯说:“根据阿累尼乌斯模型,存储介质如果能在473开尔文(200摄氏度)的烤箱中放置1个小时的话,那它就能在至少一百万年后还能继续工作。”

    测试完成之后,研究人员发现钨晶片并没有出现明显的老化,而且还能容易地读取信息。当温度继续升高的时候,事情变得复杂起来。在713开尔文(440摄氏度)时,破解QR码变得十分困难,尽管钨并没有受到影响。

    德·弗瑞斯说:“接下来的研究将了解这种数据载体能否经受住更高温度的考验,例如一场家庭大火。不过,如果我们可以找到一个非常稳定的地方,例如核储存设施,那这种晶片及其上面的数据或许就可以保存数百万年的时间。”

9、“透明纸”将改变电子元器件未来

    日本大阪大学产业科学研究所副教授能木雅也开发出了一种“透明纸”,该产品具有塑料薄膜及薄板玻璃等材料不具备的出色特性。能木副教授为了充分利用其特性,还开发出了又轻又薄、可折叠至很小的太阳能电池。此项研究的最终目标是确立可在该透明纸上设置最尖端电子部件的印刷电子技术,从而创造出既轻又柔软的新一代电子元器件。

    可与芳纶纤维匹敌的高“强度”

    “虽然乍看起来像薄膜,但事实上却是一张透明纸。如果单单是透明、材质便宜,人们只会认为‘这个东西很有意思’,但该透明纸却具有塑料薄膜和薄板玻璃等材料不具备的出色特性。”

    能木雅也副教授在展示一张看起来没有任何与众不同之处的透明薄纸时,得意地这样说道。

    这种透明纸利用“纤维素纳米纤维”制成,纤维素纳米纤维是一种直径为15纳米的纤维,是对普通的非透明纸材料纤维素进行细化加工而成,粗细仅为原来的千分之一。

    纤维直径为纳米级的纤维素纳米纤维具有相当高的“强度”,可媲美号称最强合成纤维、用于防弹背心的芳纶纤维,还具备极低的“热膨胀率”,可与高纯度石英玻璃相匹敌。

    能木副教授认为,如果使用这种纤维素纳米纤维制作透明纸,或许可应用于“印刷电子”这一最尖端的电子领域。例如,能够制造出可折叠至很小、方便搬运、可在任何场所发电的太阳能电池等实际产品。

    印刷电子是指尝试利用印刷技术制造液晶显示器、有机EL显示器及太阳能电池等电子元器件的电子技术。作为可实现节能及削减成本的技术而备受期待,目前已在部分领域开始应用。

    例如,制造半导体时,目前通常使用“光刻”这种方法。即以真空状态,在500~800℃的高温下将材料层叠在基板上,然后削除不要的部分。而如果使用印刷技术,就可在200℃左右的低温下,只在基板所需的位置涂布材料。因此不会浪费材料,还可节能、削减环境负荷以及降低成本。并且,如果基板使用较薄且可弯曲的材料,还可实现电子元器件的柔性化及轻量化。还易于实现大面积化。

    不过,难以直接使用原有的塑料薄膜。这是因为其耐热温度低于200℃,而且热膨胀率较高。以纳米单位精密地印刷电子电路和元件时,如果热膨胀率较高、伸缩幅度较大,进行调整的难度就会相应提高。

    而透明纸的热分解温度与普通纸张一样,约为230℃,比塑料要高,而且透明纸的热膨胀率与石英玻璃相当。因此透明纸可与现有玻璃基板一样,放在生产线上进行加工。并且,纤维素纳米纤维之间能以极高的密度形成氢键,因此透明纸具有可与碳纤维强化塑料相匹敌的高“弹性模量”,也就是说具有不易变形的特性。

    总之,透明纸可以解决塑料薄膜存在的所有课题。并且与玻璃相比,又轻又薄,还不易碎。还可折叠成很小,方便携带。

    关于透明纸的特点,能木副教授解释说:“就相当于利用木材制作出了可折叠的薄板玻璃。”

10、像打印word文档一样轻松地“打”出一张电路板的液态金属

    是否想过,你在家里能像打印word文档一样轻松地“打”出一张电路板,然后组装出自己喜欢的玩具?近日,一项研究或许可以让这一想象变成现实。中国科学院理化技术研究所研究员刘静带领的科研团队,首次研制出纸上直接生成电子电路的技术,并做出了桌面式3D自动打印原型样机。有了这台设备,设定好程序,就可以“打”出自己需要的电路系统了。

    “墨水”就是液态金属,电路直接打印在纸上

    纸上“打印”电子电路,得益于室温状态下液态金属直接印刷电子方法的突破。

    刘静介绍,常规的电路板制造工序通常较为耗时、耗材、耗能,而印刷电子方法就像印刷文字一样,直接在基板上形成能导电的线路和图案,能将传统的7—8道工序缩短至3—4道,快速灵活。

聚焦2013年电子科技行业十大前沿技术0

    但这种方法受到“墨水”的束缚。为了让印上去的“墨水”导电,常常需要采用导电聚合物或添加纳米颗粒材料并通过高温固化或特定化学反应来实现。液态金属印刷电子方法则将印刷电子向前推进了一大步,它的基本观念在于:“墨水”就是液态金属,打出来就能成为电路。

    传统工艺下,电子工程师若需更改电路板,需用化学药水做处理,经过刻蚀等步骤才能形成自己的设计。而新的液态金属打印方法,让漫长的设计过程变得唾手可得。刘静介绍,他们已经在纸上打印出各种相对简单的电子电路,测试后导电性、可靠性良好。理论上,特别复杂的电路或电子元器件也可以打出来。据了解,打印一张A4纸大小的纸基电路板,目前只需要十几分钟,但对复杂电路图案,时间可能会长一些。

    刘静表示,相比于常用的塑料基底,纸张具有成本低、便携、易降解、折叠,回收利用方便等特点,是一种绿化、环保、价廉的电路材料。

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编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2013/1217/article_4323.html
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