美国电路元件研发的新成果
（一）开发电容器及其所需材料的新信息
1．研制电容器的新进展
⑴发明以纳米管为基础的固态超级电容器。2011年9月，美国莱斯大学实验室的化学家罗伯特·豪格，与卡里·品特等研究人员一起组成的研究小组，在《碳杂志》上发表研究成果称，他们发明了一种以纳米管为基础的固态超级电容器。它有望集高能电池和快速充电电容器的最佳性质于一个装置中，以适合极限环境下使用。
双电层电容器，一般被称为超级电容器。它拥有比电池等用于调节流量，或供应电力的快速突发的标准电容器，多几百倍的能量，同时还有快速充电和放电的能力。但是基于液态或凝胶电解质的传统双电层电容器，在过热或过冷的状况下会发生故障。莱斯大学研究小组研发的超级电容器，利用一种氧化物电介质的固态纳米级表层，取代电解质，避免了这一问题。
超大电容的关键，是让电子的栖息地有更多的表面面积，而在地球上没有任何东西比碳纳米管在这方面的潜能优势更大。当投入运用时，纳米管会自组装成密集、对齐的结构。当被转化为自足的超级电容器后，每个纳米管束的长度都比宽度多500倍，而一个小芯片可能有上千万个纳米束。
该研究小组，首先为这个新装置，培植大量由15毫微米到20毫微米的，纳米束单壁碳纳米管组成的长达50微米的阵列。这个阵列继而会被转化为一个铜电极，该铜电极的涂层由金和钛组成，这能助其提高附着力和电稳定性。为提高导电性能，纳米管束（原电极）会掺杂硫酸，然后会被通过原子层沉积的方法，涂上一层氧化铝（介电层）和掺杂了铝的氧化锌（反电极）的薄膜。
这种储能器适用范围广，小至纳米电路的芯片、大到整个发电厂，都能从中获益。研究人员特称，没有人采用这么大纵横比的材质和类似的方法组建过这一装置。品特说：“这种超级电容器，能在高频循环下拥有电荷，并能自然地整合到材料中。”
豪格认为，这种新的超级电容器具有稳定性和扩展性。他说：“所有的能量储存器的固态方案，都将会密切整合到很多装置中，包括柔性显示器、生物植入物、多种传感器和其他电子装置。它们都能从快速充电和放电中获益。”
⑵研制成超强功能的石墨烯电容器。2012年3月16日，美国加州大学洛杉矶分校科学家麦歇·卡迪领导的研究小组，《科学》杂志上发表论文称，他们实现了一个突破，用简单通用设备，制造出超强功能的石墨烯电容器。
研究人员先是精心制作了两张氧化石墨薄膜，然后把它们分别放入普通DVD驱动器中，经驱动器激光照射后，它们被还原成了两张石墨烯薄膜。这两张石墨烯薄膜的导电性能很强（1738西门子/米），单位重量表面积很大（1520平方米/克），并且强度高、柔韧性好。
把它们放入电解液中（多种电解液都适用），它们本身即成为电容器的两极而被充电，在几秒钟的时间里，存储了超过普通手电用电池的电能。这种电容器重量轻、储电量大、充电时间短、反复充放电1万次不影响性能，并且即使在高压强下也能稳定放电，性能远远超过目前任何电化学电容器。有专家评论说，如能将制造薄膜的成本降下来，石墨烯电容器和充电电池必将创造人类新的未来。
⑶用黏土开发出高温超级电容器。2013年9月3日，美国莱斯大学机械工程与材料科学系专家阿拉瓦·瑞迪领导，该校材料科学家帕里柯·阿加恩等人参加的一个研究小组，在《自然·科学报告》网络版上发表论文称，他们用黏土和一种电解液混合，开发出一种既能当电解液又能当隔离板使用的“复合板”，可作为一种新型高温超级电容器。
在自然界里，黏土丰富而廉价，没想到却能成为一种超级电容器的关键成分。
阿加恩说：“多年来，研究人员一直想造出像电池和超级电容器这样，能在高温环境下稳定工作的能源存储设备，但由于传统材料本身性质的制约，一直未能攻克难题。现在，我们的革新，是找到了一种能在高温下保持稳定的、非传统的电解质或隔离板系统。”
研究小组研究了欧洲和奥地利科学家于2009年开发的一种室温离子液（RTILs）。它在室温下导电性较低，但加热后黏度会降低而导电性提高。黏土具有很高的热稳定性、吸附能力和渗透性，活性表面积也很大。通常用在石油钻探、现代建筑或钢铁铸造中。
研究人员把这种室温离子液和自然界的斑脱土黏土等量混合，制成一种混合胶，将其夹在两层还原的氧化石墨中间，上下再装两个集电器，就成了一种超级电容器。经测试和电子显微图像显示，这种材料被加热到200℃时也没有变化，即使加热到300℃也只有很小的变化。
瑞迪说：“材料的离子电导性，在180℃之前几乎是直线增加，然后在200℃时达到饱和。”测试还发现，虽然在第一次充放电中，其容量有轻微下降，但这种超级电容能稳定地通过1万次周期测试。在运行温度从室温提高到200℃后，无论电能还是功率密度都提高了两个数量级。
这种新型超级电容器拥有最佳的电容性能，能在几秒钟内充电而瞬间放电，一般的充电电池是缓慢充电，按照需要逐渐放电。理想的超级电容器能迅速充电、储电并按需放电。阿加恩说，它们能在200℃甚至可能更高的温度下稳定工作。这对于在极端环境下使用的充电设备是非常有用的，比如石油钻探、军队以及太空环境。
研究小组还将室温离子液与黏土和少量热塑聚氨酯结合，制成一种薄膜，可以切割成不同的大小和形状，灵活适应多种设备的设计。
瑞迪说：“我们的目的是克服传统液体或胶体电解液的限制，它们只能用在低温工作的电化能源设备中。这项研究，让人们能在更广泛的温度范围安全操作，而不必在能量、功率和周期寿命之间折中妥协，大大改善甚至消除了对昂贵的热量管理系统的需求。”
⑷研制出不含碳的全新超级电容器。2016年10月10日，美国麻省理工学院助理化学教授米尔恰·丁卡等人组成的一个研究小组，在《自然·材料学》杂志上发表研究成果称，他们研制出首个不含碳的超级电容器，性能超过碳基材料，未来除用于电动汽车等新能源领域，还能用来生产可调节亮度的变色窗户，以及探测痕量化学物质的化学传感器。
超级电容器因充放电速度快、功率密度高等因素，成为能源储存系统的研究热门。但目前的超级电容器，都是利用碳基材料制成，包括碳纳米管、石墨烯和活性炭，这些含碳超级电容器在生产过程中需要800℃以上的高温以及刺激性强的化学物质。丁卡说：“不过，现在，我们发现了一类不含碳的全新超级电容器材料。”
这种全新电容器，用一类称作金属有机框架(MOFs)的材料制成。该材料具有像海绵一样的多孔性结构，表面积比碳基材料大很多，而超大表面积对超级电容器性能表现非常重要。但它有一个大的缺陷：没有超级电容器要求的电子传导性。丁卡表示，虽然让其具有导电性是极其困难的，但最终发现它具有非常好的离子传导性能。
测试表明，新超级电容器充放电1万次后储能损失不到10%，在许多关键性能参数的表现上，已经相当于甚至超越了现有的碳基材料。但丁卡表示，金属有机框架材料还有很大的优化潜力，其表面积经过优化后，完全能达到现有碳基材料的3倍，其储电量将达到惊人的高度。
金属有机框架材料除了比碳基材料稍贵外，其他优势明显，表面积大，生产中的温度和化学条件不再严苛。未来除用于超级电容器外，还能用于储存天然气、生产可调节亮度的窗户以及医用或安全性检测的化学探测器。
2．开发电容器所需材料的新进展
⑴发明能使电容器储存更多能量的聚合物材料。2007年7月26日，美国北卡罗莱纳州立大学的研究人员，在《物理评论快报》发表研究成果称，他们发明了一种新型聚合物，在作为电容器中的绝缘材料使用时，能够使电容器多存储7倍的能量。
研究人员发现，一种通常使用的聚合物聚偏二氟乙烯的电机械性能，能够通过与另一种叫做三氟氯乙烯的聚合物相结合而得到极大的增强。
电容器能够像电池一样存储能量。但是与电池使用化学反应来产生储存的能量不同，电容器利用极化，把带正、负电荷的粒子分开来实现能量的存储。这个过程中需要在电容器内的绝缘材料上施加一个电场。
绝缘材料通常是固态的非良导体材料，比如陶瓷、玻璃或塑料，但是能够支持静电场。当电压施加在绝缘材料上，会产生一个静电场，电场极化材料内部的原子，使电容器能够储存能量。
电容器具有快速释放能量的能力，特别适合需要高加速的场合。聚合物聚偏二氟乙烯在固态下，存在极性态和非极性态，并且在电场的作用下状态不会发生改变，这造成它能量存储量较小。现在，研究人员发现，向非极性态的聚偏二氟乙烯中引入三氟氯乙烯掺杂，得到的聚合物，能够从非极性态变为极性态，能够在较小的电场下存储和释放更大量的能量。
⑵研制出高性能超级电容器材料。2013年4月14日，美国加州大学洛杉矶分校亨利·萨穆埃利工程与应用科学学院，材料科学和工程学教授布鲁斯·杜恩领导，他的的研究生维罗妮卡·奥古斯丁等人参加的研究团队，在《自然·材料学》杂志上发表研究成果称，他们成功研制出一种新的超级电容器材料，并证明它能快速地存储和释放能量，有望广泛应用于城市电网、混合动力汽车的再生制动系统等能源传送系统。
该研究团队合成出了一种氧化铌，并证明其拥有稳定的储能能力。这种新材料将被用在“超级电容器”内。超级电容器，既具有锂离子电池的高储能能力，又具有普通电容器的快速传送能量的功能。
奥古斯丁表示：“我们的最新研究，正在模糊电池与超级电容器之间的界限，最新发现很好地摒弃了电容器和电池的不足之处。”电池能有效地存储能量但不能很好地交付能量，因为载荷子（离子）通过固体电池材料时移动得很慢；而电容器的储能能力一般比较低。
科学家们表示，这项新技术有望使设备能快速充满电，这些设备可广泛应用于从移动电子学到工业设备等各方面。例如，使用了超级电容器的捕能系统，可以为港口上的装载起重机提供能量，减少诸如柴油等碳氢燃料的使用。
杜恩强调，尽管用这种材料制造电极迈出了关键的第一步，但是，为了获得实用的具有高能量密度、能在1分钟内充满电的设备，未来，我们必须在纳米尺度或超越纳米尺度的工程学领域取得突破。
（二）研究和应用忆阻器的新信息
1．研究设计忆阻器的新进展
⑴证实忆阻器确实存在。2008年5月1日，美国惠普公司实验室斯坦•威廉斯和同事组成的研究小组，在《自然》杂志上发表论文称，他们已经证实电路世界中的第四种基本元件：记忆电阻器，简称忆阻器的存在，并成功设计出一个能工作的忆阻器实物模型。这项发现，将有可能用来制造非易失性存储设备、即开型PC、更高能效的计算机，以及类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机等，未来甚至可能会通过大大提高晶体管所能达到的功能密度，对电子科学的发展历程产生重大影响。
基础电子学教科书，列出三种基本的被动电路元件：电阻器、电容器和电感器。早在1971年，美国加州大学伯克利分校的华裔科学家蔡少棠教授，就从理论上预言忆阻器的存在。忆阻器实际上，就是一个有记忆功能的非线性电阻器。蔡少棠发表的论文《忆阻器：下落不明的电路元件》提供了忆阻器的原始理论架构，推测电路有天然的记忆能力，即使电力中断亦然。简单说，忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。
虽然这一预测提出已近40年，但一直无人能证实这一现象的存在。来自惠普实验室下属的信息和量子系统实验室的4位研究人员，最近证实忆阻现象，在纳米尺度的电子系统中确实是天然存在的。他们以《寻获下落不明的忆阻器》为论文标题，来呼应蔡教授的预测。在这样的系统中，固态电子和离子运输，在一个外加偏置电压下是耦合在一起的。这一发现，可帮助解释过去50年来，在电子装置中所观察到的明显异常的回滞电流-电压行为的很多例子。蔡教授对这项研究成果感到兴奋，称“从来没想到”他的理论被搁置37年后，还能得到证实。
研究人员表示，忆阻器器件的最有趣特征，是它可以记忆流经它的电荷数量。蔡教授原先的想法是：忆阻器的电阻取决于多少电荷经过了这个器件。也就是说，让电荷以一个方向流过，电阻会增加；如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。简单地说，这种器件在任一时刻的电阻，是时间的函数：或多少电荷向前或向后经过了它。这一简单想法的被证实，将对计算及计算机科学产生深远的影响。
⑵再次实现忆阻器设计的重大突破。2010年4月8日，美国惠普公司纳米技术研究实验室，资深专家斯坦·威廉姆斯主持的一个研究小组，在《自然》杂志上撰文表示，他们在忆阻器设计上取得重大突破，发现忆阻器可进行布尔逻辑运算，用于数据处理和存储应用。科学家认为，公众将在3年内看到忆阻器电路，其或许可取代目前似乎已经处于“穷途末路”的硅晶体管，最终改变整个电脑行业。
目前，最先进的晶体管的大小为30纳米到40纳米，比一个生物病毒还小（一个生物病毒约为100纳米）。威廉姆斯表示，惠普现正着手研究3纳米级的忆阻器，开、关的时间只需要十亿分之一秒。他表示，3年内，该公司生产的基于忆阻器的闪存，1平方厘米将可以存储20G字节，这项技术，有望成为低功耗计算机以及存储系统发展的里程碑。
忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻器，1971年由美国加州大学伯克利分校的电子工程师蔡少棠教授首次提出，但当时还没有纳米技术，他的发现因此被搁浅。直到2008年5月，惠普研究人员在《自然》杂志撰文指出，他们终于成功研制出世界首个忆阻器。通过向其施加方向、大小不同的电压，可以改变其阻值。如果利用其不同阻值代表数字信号，在半导体电路中实现数据存储也大有前途。
忆阻器不同于电容器、电感器和电阻器这3种基本电路元件的地方是，忆阻器在关掉电源后，仍能记忆通过的电荷。这意味着，如果突然停机，然后重新启动，用户关机之前打开的所有应用程序和文件仍在屏幕上。目前，这种用途还不能被任何电阻器、电容器和电感器的电路组合所复制，因此，有业内专家认为，忆阻器是电子工程领域第4种基本电路元件。
研究人员2009年在美国《国家科学院学报》上撰文指出，他们设计出一种新方法，可以从三维忆阻器阵列中存储和恢复数据。新方案可让设计人员，以类似搭建摩天大楼的方式，堆叠成千上万个忆阻器，创造出逼近极限的超致密计算设备。
威廉姆斯称，2008年到现在，其研究小组一直在提升忆阻器的开关速度，研究人员在实验室中测试证明，它们能够可靠地进行成千上万次读写。
此外，忆阻器也不同于IBM、英特尔等公司研发的，新型存储芯片相变存储器。相变存储器利用材料的可逆转的相变来存储信息。同一物质可在诸如固体、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在，这些状态都称为相。相变存储器，便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。惠普公司表示，相变存储器的开关速度比较慢，可能需要更多的能量。
2．应用开发忆阻器的新进展
⑴首次仅由忆阻器创建神经网络芯片。2015年5月7日，物理学家组织网报道，美国加州大学和纽约州立大学石溪分校的一个联合研究小组，在《自然》杂志上发表研究成果称，他们首次仅用忆阻器，就创建出一个神经网络芯片，从而向创建更大规模的神经网络迈出重要一步。
忆阻器，可能听起来像是科幻电影中才有的东西，但现实中它们确实存在。忆阻器全称为记忆电阻器，是模拟人类神经元和突触机制的一种有记忆功能的非线性电阻器。1971年，加州大学华裔科学家蔡少棠首次提出忆阻器的概念，但直到2008年，惠普公司的研究小组才将这一概念变为现实，他们创建了世界上第一个忆阻器器件。从此，科学家对该项技术进行了大量研究，但到目前为止，仍没有人能够建立出一个完全基于忆阻器的神经网络芯片。
据报道，迄今，大多数神经网络均依托软件，如谷歌、脸谱和IBM的软件。这些网络通过计算机系统运行，像学习网络，主要用来在人群中识别某个面孔，或基于某种模式回答问题。尽管这种技术好处多多，但也明显受限于硬件条件。随着神经网络在规模和复杂性方面不断增大，它们对计算机运行速度的要求也越来越高。因此，该领域的大多数研究人员相信，用忆阻器取代晶体管将是未来的一个发展方向。忆阻器就如同大脑中的神经元，当出现新的事物时能够自行学习，当被置于一个芯片中时，自然会减少网络运行所耗资源。
在发表的成果中，研究小组描述了他们创建这种神经网络芯片的过程，并介绍了该芯片所具有的能力。研究报告显示，新的芯片通过无晶体管的金属氧化物忆阻器闩创建，呈现为一个基本的神经网络，目前仅能够执行一个任务，即学习和认知3×3像素黑白图像中的图案。
研究人员称，该芯片的研发成功，向创建更大规模的神经网络迈出了重要一步，这将挖掘出忆阻器的真正潜力。同时，它也使得科学家紧随大脑神经元基本工作模式研究步伐，构建类似人脑方式处理与联系信息的模拟式计算机成为可能。
⑵开发可逼真模拟突触行为的忆阻器。2016年9月26日，美国趣味科学网站报道，美国马萨诸塞大学安姆斯特分校，电子和计算机工程教授杨志卿领导的研究小组，研制出一种新型“扩散式忆阻器”，模拟人脑两个神经元的结点突触内钙离子的行为，逼真度有史以来最高。研究人员表示，新设备有助于开发类脑(神经形态)计算机。这种计算机在执行感知和学习任务方面，比传统计算机表现更好，也更节能。
杨志卿称：“过去，人们用晶体管和电容器来模拟突触行为，这些设备虽能工作，但与真正的生物系统相似性很低，因此效率不高，且耗能更多，逼真度也不够。”
研究表明，人脑约有1000亿个神经元、约1000万亿个突触，科学家们一直希望能研制出类脑计算机来模拟人脑强大的计算能力和高效率。杨志卿表示：“新设备能采用一种更自然、更直接、更逼真的方式模拟突触，不仅模拟一个突触功能，也囊括了其他重要属性。”
在生物系统中，当一个神经脉冲到达突触时，会使通道打开，钙离子流进突触，触发大脑释放“神经传递素”，这些物质会穿过两个神经元之间的沟壑，将脉冲传递给下一个神经元。
最新研制的“扩散式忆阻器”由嵌入一个氧氮化硅薄膜(位于两个电极之间)内的银纳米粒子簇组成。薄膜是绝缘体，但当施加电脉冲时，热和电共同作用，使粒子簇分崩离析，纳米粒子散开通过薄膜并最终形成一根导电丝，让电流从一个电极到达另一个电极。一旦电压移走，温度下降，纳米粒子又重新聚合成簇。研究人员称，因为这一过程类似于生物突触内钙离子的行为，该设备能模拟神经元的短期可塑性。
他们也将新忆阻器同漂移忆阻器(依靠电场而非扩散，非常适合存储用途)结合，展示了神经元的一种长期可塑性——“尖峰时刻相关可塑性”。以前也曾有人用漂移忆阻器模拟钙离子的行为，但其物理过程与生物突触迥然不同，限制了模拟突触功能的逼真度和多样性。
⑶研制出超越现有机器学习系统的忆阻器。2017年5月，美国密歇根大学电子工程与计算机系卢伟教授领导的研究小组，在《自然·纳米技术》杂志上发表论文称，他们研发出一种全新的忆阻器阵列芯片，其处理图片和视频等复杂数据的速度和能效，超越了现有最先进的机器学习系统。
目前，用机器学习来处理大数据越来越受重视。不过现有的机器学习，只是基于现有硬件架构在算法上进行革新，在学习和推理过程中仍需不断在处理器和存储器之间转移大量数据，造成速度上的瓶颈和很高的能耗。而忆阻器是一种新型电子器件，能通过调整内部的原子分布同时实现数据存储和信号处理的功能，低能耗、高效率并行实现机器学习里最基本的矩阵运算。
卢伟说，他们这次制备的是正方形忆阻器阵列，并用该阵列芯片实现了“稀疏编码”的算法。稀疏编码是一种无监督学习方法，能通过芯片上神经元之间的竞争更有效地找出隐含在输入数据内部的结构与模式。在测试中，新忆阻器芯片经过“学习培训”后，利用很少的神经元，成功从一些名画和照片中找到关键特征。
卢伟参与创建的半导体公司“纵横集团”，已与中国最大规模芯片制造企业“中芯国际”展开合作，从2016年开始量产基于忆阻器的阻变存储器。他表示，新忆阻器可直接集成到现有传感器和摄像系统上，实时处理和分析视频数据。它们还可以通过大规模集成实现超级计算机的功能。
