科学家开发出制造有机半导体的新型可持续方法

科学家开发出制造有机半导体的新型可持续方法 林雪平大学的研究引入了一种使用水等良性溶剂加工共轭聚合物的新方法。新油墨还具有高度导电性。资料来源：Thor Balkhed作为传统硅基电子器件的补充，有时甚至是替代品，有机电子器件正在崛起。有机电子产品具有制造简单、灵活性高、重量轻等特点，同时还具有传统半导体的电气特性，因此可用于数字显示、能源存储、太阳能电池、传感器和软植入物等应用。有机电子器件由半导体塑料（即共轭聚合物）制成。然而，加工共轭聚合物通常需要使用对环境有害、有毒和易燃的溶剂。这是有机电子产品广泛商业化和可持续使用的主要障碍。现在，林雪平大学的研究人员开发出了一种新的可持续方法，可以从水中加工这些聚合物。这种新型油墨不仅更具可持续性，还具有高度导电性。刘铁峰，有机电子学实验室博士后。资料来源：Thor Balkhed"我们的研究引入了一种利用水等良性溶剂加工共轭聚合物的新方法。"有机电子实验室资深副教授西蒙娜-法比亚诺（Simone Fabiano）说："利用这种被称为地态电子转移的方法，我们不仅可以解决使用有害化学物质的问题，还能证明材料性能和设备性能的改善。"当研究人员将这种新型导电墨水作为有机太阳能电池的传输层进行测试时，发现其稳定性和效率均高于传统材料。他们还测试了用这种油墨制造电化学晶体管和人工神经元的情况，结果表明其工作频率与生物神经元相似。"我相信，这些成果将对有机电子领域产生变革性影响。通过利用水等绿色和可持续溶剂加工有机半导体，我们可以大规模生产对环境影响最小的电子设备，"瓦伦贝格学院研究员西蒙娜-法比亚诺（Simone Fabiano）说。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

有机半导体有望为太阳能应用带来革命性变化

有机半导体有望为太阳能应用带来革命性变化 太阳能在向清洁能源未来过渡的过程中发挥着至关重要的作用。通常，日常电子产品中常见的半导体硅被用来收集太阳能。然而，硅太阳能电池板有其局限性成本高昂，而且难以安装在曲面上。新研究部分解释了一类新型有机半导体非富勒烯受体（NFAs）的优异性能。研究人员已经开发出用于太阳能收集的替代材料，以解决这些缺陷。其中最有前途的是被称为"有机"半导体的碳基半导体，这种半导体在地球上资源丰富，成本较低，而且对环境友好。堪萨斯大学物理和天文学副教授Wai-Lun Chan说："它们有可能降低太阳能电池板的生产成本，因为这些材料可以使用基于溶液的方法涂覆在任意表面上就像我们粉刷墙壁一样。这些有机材料可以在选定的波长下吸收光线，可用于制造透明的太阳能电池板或不同颜色的电池板。这些特性使得有机太阳能电池板特别适合用于下一代绿色和可持续建筑。"虽然有机半导体已被用于手机、电视和VR头显等消费电子产品的显示面板，但尚未广泛用于商用太阳能电池板。有机太阳能电池的一个缺点是光电转换效率较低，约为 12%，而单晶硅太阳能电池的转换效率可达 25%。根据 Chan 的说法，有机半导体中的电子通常会与被称为"空穴"的正电子结合。这样，有机半导体吸收的光通常会产生电中性的准粒子，即"激子"。但是，最近一类被称为非富勒烯受体（NFAs）的新型有机半导体的开发改变了这一模式。使用非富勒烯受体（NFAs）制造的有机太阳能电池的效率可接近 20% 大关。尽管性能出众，但科学界仍不清楚这一类新型非氟烷烃为何明显优于其他有机半导体。在发表于《先进材料》（Advanced Materials）上的一项突破性研究中，陈和他的团队，包括物理和天文学系的研究生库沙尔-里贾尔（Kushal Rijal，第一作者）、内诺-富勒（Neno Fuller）和法蒂玛-鲁达尼（Fatimah Rudayni），与昆士兰大学化学教授辛迪-贝里（Cindy Berrie）合作，发现了一种微观机制，部分解决了无损检测器所取得的卓越性能。主要作者 Kushal Rijal（右）和 Neno Fuller（左）使用图中所示的超高真空光发射光谱系统进行了 TR-TPPE 测量。图片来源：Kushal 和 Fuller这一发现的关键在于领衔作者里贾尔利用一种被称为"时间分辨双光子光发射光谱"（TR-TPPE）的实验技术进行的测量。这种方法使研究小组能够以亚皮秒级的时间分辨率（小于一万亿分之一秒）跟踪激发电子的能量。"在这些测量中，Kushal [Rijal]观察到，NFA中的一些光激发电子可以从环境中获得能量，而不是向环境中损失能量，"Chan说。"这一观察结果与直觉相反，因为激发电子通常会向环境中损失能量，就像一杯热咖啡向周围环境中损失热量一样。"该研究小组的工作得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持，他们认为，这种不寻常的过程之所以能在微观尺度上发生，是因为电子的量子行为允许一个激发电子同时出现在多个分子上。热力学第二定律认为，每个物理过程都会导致总熵（通常称为"无序"）的增加，这种量子怪异性与热力学第二定律相结合，产生了不寻常的能量增益过程。Rijal说："在大多数情况下，热物体会将热量传递给周围的冷物体，因为热量传递会导致总熵增加。但我们发现，对于以特定纳米级结构排列的有机分子来说，典型的热流方向是相反的，这样总熵才会增加。这种反向热流允许中性激子从环境中获得热量，并解离成一对正负电荷。这些自由电荷反过来又能产生电流"。根据他们的实验结果，研究小组提出，这种由熵驱动的电荷分离机制可使使用 NFA 制造的有机太阳能电池获得更高的效率。Rijal说："了解了电荷分离的基本机制，研究人员就能设计出新的纳米结构，利用熵的优势在纳米尺度上引导热量或能量流动。尽管熵是物理学和化学中一个众所周知的概念，但很少有人积极利用它来提高能量转换设备的性能。"不仅如此：科大团队认为，这项工作中发现的机制不仅可以用来生产更高效的太阳能电池，还可以帮助研究人员设计出更高效的光催化剂，用于太阳能燃料生产，这是一种利用阳光将二氧化碳转化为有机燃料的光化学过程。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新成像技术揭示有机半导体中的激子动力学 带来改进能量转换材料的潜力

新成像技术揭示有机半导体中的激子动力学 带来改进能量转换材料的潜力 图示：光激发有机半导体 "巴克明斯特富勒烯"两个分子中的电子。新形成的激子（如亮点所示）首先分布在两个分子上，然后才落在一个分子上（如图中右侧所示）。资料来源：Andreas Windischbacher新的成像技术揭示了有机半导体中的激子动力学，有助于深入了解其量子特性和改进能量转换材料的潜力。Wiebke Bennecke。图片来源：Fotostudio Roman Brodel/Braunschweig哥廷根大学、格拉茨大学、凯泽斯劳滕-朗道大学和格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的研究人员现在首次非常快速、非常精确地拍摄到了这些激子的图像事实上，精确度达到了四十亿分之一秒（0.000,000,000,000,001s）和十亿分之一米（0.000,000,001m）。这种认识对于开发更高效的有机半导体材料至关重要。相关成果最近发表在科学杂志《自然通讯》上。了解激子动力学当光线照射到材料上时，一些电子会吸收能量，从而进入激发态。在有机半导体（如有机发光二极管中使用的半导体）中，这些受激电子和剩余"空穴"之间的相互作用非常强烈，电子和空穴不再能被描述为单独的粒子。相反，带负电荷的电子和带正电荷的空穴结合成对，称为激子。长期以来，从理论和实验角度理解有机半导体中这些激子的量子力学特性一直被认为是一项重大挑战。Matthijs Jansen 博士。图片来源：Christina Möller新方法揭示了这一难题。该研究的第一作者、哥廷根大学物理学家 Wiebke Bennecke 解释说："利用我们的光发射电子显微镜，我们可以发现激子内部的吸引力极大地改变了它们的能量和速度分布。我们以极高的时间和空间分辨率测量了这些变化，并将它们与量子力学的理论预测进行了比较"。研究人员将这种新技术称为光发射激子层析成像技术。其背后的理论是由格拉茨大学的 Peter Puschnig 教授领导的团队开发的。半导体研究进展这项新技术使科学家们首次能够测量和观察激子的量子力学波函数。简单地说，波函数描述了激子的状态，并决定了其存在的概率。哥廷根大学的 Matthijs Jansen 博士解释了这一发现的意义："我们研究的有机半导体是由 60 个碳原子组成的球形排列的富勒烯。问题是激子是否总是位于单个分子上，还是可以同时分布在多个分子上。这一特性会对太阳能电池中半导体的效率产生重大影响。"斯特凡-马蒂亚斯教授。图片来源：Stefan Mathias光发射激子层析技术提供了答案：激子在光的作用下产生后，立即分布在两个或更多的分子上。然而，在几个飞秒内，也就是在一秒钟的极小部分内，激子就会缩回到单个分子。未来，研究人员希望利用这种新方法记录激子的行为。哥廷根大学的斯特凡-马蒂亚斯（Stefan Mathias）教授认为，这很有潜力："例如，我们希望了解分子的相对运动如何影响材料中激子的动力学。这些研究将有助于我们了解有机半导体的能量转换过程。我们希望这些知识将有助于开发更高效的太阳能电池材料"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

日韩半导体产业再次走向合作

日韩半导体产业再次走向合作 “日韩关系改善，经营者和技术人员的往来增加，营业收入也有所增加”，一家日资设备制造商的韩国现地企业高管带着如释重负的神情表示。在前劳工问题等导致日韩两国政府关系恶化的背景下，日本于2019年7月开始加强针对日本企业市占份额较高的氟化氢、光刻胶（感光剂）和氟化聚酰亚胺等3种产品的出口管制。根据韩国贸易协会的数据，韩国自日本的氟化氢进口额在同年8月降至零。在采取出口管制措施的背景下，韩国推进了半导体材料的国产化替代。2019年韩国前总统文在寅曾呼吁韩国要摆脱对于日本的依赖。以纯度不高的材料为主，部分半导体制造工序开始使用韩国产品。围绕半导体供应链，还出现了中美对立这一结构变化。各国和地区的政府都在努力构建自主供应链，韩国政府也提出到2030年将材料的国产化比例从2023年的3%提高到20%、设备的国产化比例从15%提高到40%这一“自立目标”。提出了成立专注于支援材料和设备开发的基金和建设工业园区的方针。日本企业则探索了继续与韩国企业开展业务的方法。日本东京应化工业和住友化学推进在韩国生产用于形成半导体电路的感光剂。围绕尖端半导体开发展开竞争的韩国三星电子和SK海力士的意向也对吸引日资企业发挥了作用。随着日本于2023年解除了对于韩国的出口管制的收紧，韩国氟化氢的进口在2024年1～5月达到1191万美元，同比增长48%，维持在5年来的最高水平。不过，由于这5年间韩国也推进了国产化，韩国氟化氢的进口额仅恢复到了2018年平均水平的5成左右。韩国半导体相关人士表示，“这样的契机令人们认识到缺了日本技术就无法制造尖端半导体产品”。2019年正是三星宣布在尖端半导体代工领域与台积电正面对决的时机。由于越来越难以采购到日本生产的高品质材料，结果导致三星在尖端产品的量产技术等方面与台积电的差距扩大。韩国的证券分析师认为，“日韩半导体供应链的紊乱也是主要原因”。在地缘政治风险和半导体制造难度加大的背景下，彼此各具优势的日韩半导体产业将再次走向合作。两国企业考虑到全球半导体市场的激烈竞争，将摸索建立起不受政治左右的合作关系。 ... PC版： 手机版：

中国第四代半导体迎来突破 6英寸氧化镓单晶实现产业化

中国第四代半导体迎来突破 6英寸氧化镓单晶实现产业化 6英寸导电型氧化镓衬底杭州镓仁半导体，也成为国内首个掌握6英寸氧化镓单晶衬底制备技术的产业化公司。据介绍，氧化镓因其优异的性能和低成本的制造，成为目前最受关注的超宽禁带半导体材料之一，被称为第四代半导体材料。该材料主要用于制备功率器件、射频器件及探测器件，在轨道交通、智能电网、新能源汽车、光伏发电、5G移动通信、国防军工等领域，均具有广阔应用前景。6英寸非故意掺杂（上）与导电型（下）氧化镓单晶该公司表示，此次制备6英寸氧化镓衬底采用的铸造法，具有以下显著优势：第一，铸造法成本低，由于贵金属Ir的用量及损耗相比其他方法大幅减少，成本显著降低；第二，铸造法简单可控，其工艺流程短、效率高、尺寸易放大；第三，铸造法拥有完全自主知识产权，中国和美国专利已授权，为突破国外技术垄断，实现国产化替代奠定坚实基础。目前而言，日本的NCT在氧化镓衬底方面，仍占据着领先地位，但国内也总体呈现追赶态势。 ... PC版： 手机版：

研究人员从原子层面了解二维半导体界面上的电荷转移过程

研究人员从原子层面了解二维半导体界面上的电荷转移过程 超短闪光打破了电子（红色）和空穴（蓝色）之间的结合，从而实现了对原子薄半导体中电荷转移过程的研究。资料来源：Lukas Kroll、Jan Philipp Bange、Marcel Reutzel、Stefan Mathias：《科学进展》，DOI: 10.1126/sciadv.adi1323通过使用一种特殊的方法破坏电子和空穴之间的结合，他们得以从微观上深入了解半导体界面上的电荷转移过程。相关成果发表在《科学进展》（Science Advances）上。当光线照射到半导体上时，其能量会被吸收。因此，带负电荷的电子和带正电荷的空穴在半导体中结合成对，形成激子。在最先进的二维半导体中，这些激子具有极高的结合能。在他们的研究中，研究人员为自己设定了一个挑战：研究激子的空穴。哥廷根大学的物理学家兼第一作者 Jan Philipp Bange 解释说："在我们的实验室，我们使用光发射光谱来研究量子材料对光的吸收如何导致电荷转移过程。迄今为止，我们一直专注于电子-空穴对中的电子，我们可以使用电子分析仪测量这些电子。到目前为止，我们还没有任何方法可以直接获取空穴本身。因此，我们对如何不仅描述激子的电子，还能描述其空穴的特性这一问题很感兴趣"。为了回答这个问题，哥廷根大学物理系的马塞尔-罗伊策尔博士和斯特凡-马蒂亚斯教授领导的研究人员使用了一种特殊的光电子显微镜和高强度激光。在这一过程中，激子的破裂会导致实验中测得的电子能量损失。罗伊策尔解释说："这种能量损失是不同激子的特征，取决于电子和空穴相互作用的环境。"在目前的研究中，研究人员使用了一种由两种不同原子厚度的半导体组成的结构，证明激子的空穴从一个半导体层转移到另一个半导体层，类似于太阳能电池。马尔堡大学的埃尔明-马利克教授团队能够通过一个模型来解释这一电荷转移过程，描述微观层面上发生的情况。马蒂亚斯总结道："未来，我们希望利用电子和空穴相互作用的光谱特征来研究量子材料中超短时间和超长尺度的新阶段。这些研究可以成为开发新技术的基础，我们希望将来能为此做出贡献。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：