这种布做成的帽子、衣服,有望替代手机

这种布做成的帽子、衣服,有望替代手机 2月1日,南洋理工大学教授魏磊牵头的国际联合团队在《自然》发表论文,介绍了这块用超长连续高质量硅锗纤维材料“编织”的布料是如何问世的。长13.5米、宽0.6米、厚1毫米的光电传感布。受访者供图寻找“能屈能伸”的材料让脆性材料变得柔软,甚至能够编织衣物,是魏磊团队的研究方向之一。“如今的手机、电脑、智能手表等设备的芯片制造都离不开硅材料,在硅材料获得青睐之前,锗是用于制作历史上第一根晶体管的经典材料。”论文共同第一作者、在南洋理工大学从事博士后研究的汪志勋介绍,这两种材料自然储量丰富,电气性能优良,但它们是“宁为玉碎,不为瓦全”的脆性材料,用其制作的芯片非常容易断裂。已有研究发现,虽然以硅和锗为代表的无机半导体材料已成为芯片制造不可或缺的关键材料,但在电子产业拥抱柔性化的新趋势下,这些半导体的本征脆性给材料科学家带来了挑战。为了让这些半导体材料“能屈能伸,柔软好用”,近年来,国际学术界提出了一些降低维度的解决方案。参与该研究的吉林大学教授王哲解释说,降低维度是指采用三维尺寸极小,可以认为是零维形态的硅“点”(零维纳米硅),以阵列形式分布在柔性基底上,形成一个软硬交联的网络以实现脆硬材料的柔性化;或者是减少晶圆的厚度并钝化机械损伤,从而得到一张平面(二维纳米硅)形态可以弯曲的硅薄膜。“当前,学术界对一维(一维纳米硅)形态的半导体纤维研究相对较少,主要原因是制备极其困难。”魏磊表示,如何大规模高产量地连续制造具有相当长度的无裂纹半导体纤维是关键挑战。可编织光电传感布问世尽管目前科学家已经研究发现了微下拉法等从熔体出发的晶体生长法,但半导体纤维制备仍然面临一些重大难题。汪志勋介绍,熔芯热拉法是将生产玻璃光纤的方法稍加改动,用于制造多材料纤维的一种方法。该方法具有低成本、高速度、长纤维等特点,其纤维拉制速度可以达到每分钟数十米甚至上百米,并且单根纤维的拉制长度可以达到公里级。但是,熔芯热拉法制造出的半导体纤维往往有形状不均匀、纤芯断裂多发等缺陷,限制了其实际应用。“要解决半导体纤维的生产难题,熔芯热拉法是一个有潜力的办法,但需要从根本上弄清楚缺陷发生机制,从源头解决问题。”参与该研究的中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张其冲告诉《中国科学报》,团队成员结合各自背景优势,突破传统思维,从基础科学出发并结合实验验证,分阶段归纳总结熔芯热拉法中不同的物理和化学过程,明确了纤维制备中关键的流体和固体力学问题。从理论模型的建立到半导体纤维的成功拉制,这支国际联合团队验证了熔芯热拉法的系统规律,并基于半导体纤维展示了可编织光电传感布的日常应用。“这种传感布可以被缝成一顶帽子、一件衣服,或是以单根纤维(一维纳米硅)的形式贴附在复杂形状的表面,以实现环境光连续监测、室内光通信、健康管理甚至深海无线通信等极端环境中的多种实际应用。”参与该研究的中国科学院深圳先进技术研究院副研究员陈明说。一根根“发丝”大有可为硅、锗是电子产业中成熟的广为应用的代表性材料,用它们做成的半导体纤维有一个重要优势可以与现有技术工艺兼容。张其冲表示,光电传感只是这款硅锗纤维材料应用的一小部分,该材料还有更广阔的应用前景。未来,太阳能电池、温度压力及其他信号的传感、数据储存,甚至集成电路和微处理器都有可能集于这一根根“发丝”上,被编织进日常衣物中,提升人们的生活品质。“如今,我们已经在实验室实现了高质量硅、锗半导体纤维材料的规模化生产,但要实现更广泛的应用还面临挑战。”魏磊介绍,从纤维形态来看,目前形状单一,实际应用中不同器件可能需要不同形状或是具有某种内部结构的纤维;从材料本身来看,需要进一步探索第三代及第四代半导体材料的纤维化制备。张其冲透露,未来联合研究团队将进一步研究多功能纤维材料,共同解决生产制备中的问题,让人们像穿贴身衣物一样携带智能设备。 ... PC版: 手机版:

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突破性方法生产的超纯硅有望引发量子计算革命 项目联合导师、墨尔本大学的戴维-贾米森(David Jamieson)教授说,今天(2024年5月7日)发表在《自然》杂志《通讯材料》(CommunicationMaterials)上的这一创新成果,使用了植入纯稳定硅晶体中的磷原子量子比特,通过延长众所周知的脆弱量子相干的持续时间,可以克服量子计算的一个关键障碍。"脆弱的量子相干性意味着计算误差会迅速积累。有了我们的新技术提供的强大相干性,量子计算机可以在几小时或几分钟内解决一些传统或'经典'计算机甚至超级计算机需要几个世纪才能解决的问题,"杰米森教授说。当一个量子比特(如原子核、电子或光子)处于多种状态的量子叠加时,它就是一个量子物体。当量子比特恢复到单一状态时,相干性就会消失,变成像传统计算机比特那样的经典物体,而传统计算机比特永远只有一个或零,永远不会处于叠加状态。量子比特或量子比特量子计算机的构件容易受到环境微小变化的影响,包括温度波动。即使在接近绝对零度(零下 273摄氏度)的宁静冰箱中运行,目前的量子计算机也只能在极短的几分之一秒内保持无差错的一致性。曼彻斯特大学的联合导师理查德-库里(Richard Curry)教授说,超纯硅允许构建高性能量子比特器件,而这是为可扩展量子计算机铺平道路所需的关键部件。"我们所能做的就是有效地创造出构建硅基量子计算机所需的关键'砖块'。库里教授说:"这是创造一项有可能改变人类的技术的关键一步。"主要作者、墨尔本大学/曼彻斯特大学联合培养的博士生 Ravi Acharya 在曼彻斯特大学 P-NAME 聚焦离子束实验室准备硅芯片,以便进行富集。资料来源:墨尔本大学/曼彻斯特大学领衔作者、曼彻斯特大学/墨尔本大学库克森联合学者拉维-阿查里亚说,硅芯片量子计算的最大优势在于它使用了与制造当今计算机芯片相同的基本技术。"目前,日常计算机中的电子芯片由数十亿个晶体管组成,这些晶体管也可用于制造硅量子设备的量子比特。迄今为止,制造高质量硅量子比特的能力部分受限于所用硅起始材料的纯度。我们在这里展示的突破性纯度解决了这一问题"。贾米森教授说:"新型高度纯化的硅计算机芯片可以容纳和保护量子比特,使它们能够更长时间地保持量子相干性,从而能够进行复杂的计算,并大大减少纠错的需要。我们的技术为可靠的量子计算机开辟了道路,有望在人工智能、安全数据和通信、疫苗和药物设计以及能源利用、物流和制造等领域为整个社会带来阶跃式变革。"硅由不起烟的海滩沙制成,是当今信息技术产业的关键材料,因为它是一种丰富而多用途的半导体:它可以作为电流的导体或绝缘体,具体取决于添加到其中的其他化学元素。贾米森教授说:"其他人正在尝试使用替代品,但我们相信硅是量子计算机芯片的主要候选者,它将实现可靠的量子计算所需的持久相干性。"共同作者(左)David Jamieson 教授(墨尔本大学)和(右)Maddison Coke 博士(曼彻斯特大学)在曼彻斯特大学检查用于硅富集项目的 P-NAME 聚焦离子束系统。资料来源:墨尔本大学/曼彻斯特大学他说:"问题在于,虽然天然存在的硅主要是理想的同位素硅-28,但也有大约 4.5% 的硅-29。硅-29 在每个原子核中都有一个额外的中子,它就像一块微小的流氓磁铁,会破坏量子相干性并产生计算误差。"研究人员将一束聚焦的纯硅-28 高速射向硅芯片,使硅-28 逐渐取代芯片中的硅-29 原子,将硅-29 从百万分之四点五减少到百万分之二(0.0002%)。"好消息是,要将硅纯化到这种程度,我们现在可以使用一台标准机器离子注入机你可以在任何半导体制造实验室找到它,并根据我们设计的特定配置进行调整。"在之前发表的与澳大利亚研究理事会量子计算和通信技术卓越中心(ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology)合作进行的研究中,墨尔本大学利用纯度较低的硅材料创造了 30 秒的单量子比特相干世界纪录,并且至今仍保持着这一纪录。30 秒的时间足以完成无差错的复杂量子计算。贾米森教授说:"现有最大的量子计算机拥有1000多个量子比特,但由于失去了一致性,在几毫秒内就会出现错误。既然我们已经可以生产出极纯的硅-28,我们的下一步将是证明我们可以同时维持许多量子比特的量子相干性。一台仅有 30 个量子比特的可靠量子计算机在某些应用中的性能将超过当今的超级计算机。"这项最新研究工作得到了澳大利亚和英国政府的研究资助。贾米森教授与曼彻斯特大学的合作得到了英国皇家学会沃尔夫森访问学者奖学金的支持。据澳大利亚联邦科学与工业研究组织 2020 年的一份报告 估计,到 2040 年,澳大利亚的量子计算有可能创造 1 万个工作岗位和 25 亿美元的年收入。编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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中国科学家领衔研发液态金属成膜新技术 成功构建新型“人工树叶” 这项由中国科学家领导完成的重要新能源材料研究成果论文,近日以“液态金属镶嵌的人工光合成膜”为题在国际学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)上发表。图1. 基于低温液态金属镶嵌半导体颗粒制备嵌入式半导体光活性薄膜图2. 非嵌入型与嵌入式BiVO4薄膜的光生电荷提取能力对比图3. 嵌入式BiVO4光电极的光电化学分解水活性评价图4. 利用半导体颗粒植入技术构建的嵌入式Z型仿生人工光合成面板及其可见光驱动的全分解水活性评价图5. 金属镶嵌半导体颗粒人工光合成膜制备技术具备普适性好、易规模化、膜结构稳定性高和易回收利用等优点论文通讯作者刘岗研究员指出,基于太阳能光催化分解水的绿氢制备技术属于前沿和颠覆性低碳技术,其走向应用的关键是构建高效、稳定且低成本的太阳能驱动半导体光催化材料薄膜即“人工树叶”。目前,常用的薄膜制备技术因制备环境苛刻或成膜质量差,难以满足太阳能光催化分解水制氢的实际应用需求。在自然界,植物光合作用实现太阳能到化学能的转化过程中,植物叶子中起光合作用的光系统II和光系统I,是以镶嵌形式存在于叶绿体的类囊体膜中,这一特征是自然光合作用能有效运行的重要结构基础。受此启发,在本项研究中,研究团队利用熔融的低温液态金属作为导电集流体和粘结剂在选定基体上规模化成膜,结合辊压技术进行半导体颗粒的嵌入集成,实现了半导体颗粒的规模化植入。刘岗介绍说,半导体颗粒镶嵌在液态金属导电集流体薄膜中形成三维立体的强接触界面,其结构犹如“鹅卵石路面”,使得其不仅具有优异的结构稳定性还具有十分突出的光生电荷收集能力。以钒酸铋为例,嵌入式钒酸铋颗粒的光电极活性相比传统的非嵌入式钒酸铋光电极高出2倍,且长时连续工作120小时几乎无活性衰减;光电极从1平方厘米放大至64平方厘米后,单位面积的光电流密度仍可保持约70%,远优于目前所知大面积钒酸铋光电极小于30%的活性保持率。在此基础上,进一步同时嵌入产氧和产氢光催化材料,可实现光催化分解水制氢面板的规模化制备,在可见光照射下,其活性是传统非嵌入式金薄膜支撑光催化材料膜的近3倍,超过上百小时持续工作无衰减。刘岗表示,本次研发的液态金属成膜新技术还具有普适性好和原材料易回收等优势,利用氧化锌、三氧化钨、氧化亚铜等商业化半导体颗粒,可实现不同半导体颗粒薄膜在不同基体上的规模化制备,所获得的颗粒嵌入式薄膜的活性均显著优于对照的非嵌入式样品。此外,在柔性基体上集成的薄膜在大曲率弯折10万次后仍可保持95%以上的初始活性。在循环和高效利用方面,通过简单的热水超声处理,即可将半导体颗粒、低温液态金属以及基体进行分离回收再利用,且回收再集成获得的人工光合成薄膜表现出与原始薄膜近乎相同的活性。 ... PC版: 手机版:

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