美国电子设备底板与电子薄膜研制的新成果
(一)开发电子设备底板的新信息
1．研制新型电子设备底板
⑴用碳纳米管溶液制造柔性电子设备底板。2011年12月，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的一个研究小组，在《纳米快报》上发表论文称，他们开发出一种新技术，能以较低成本大规模地生产柔性底板。压印电路后会成为各种各样的“智能设备”，如能像纸一样折叠起来的电子屏、能监测表面裂纹及瑕疵的涂料、能治疗感染的医用绷带、能感知变质与否的食物包装等。
该研究小组利用半导体浓缩碳纳米管溶液，生成具有优良电属性的薄膜晶体管网。研究人员用浓缩到99%的半导体单壁碳纳米管溶液作底层，再结合一种高弹性的聚酰亚胺聚合物作基底，基底用激光切成边长3.3毫米的六边形蜂巢图案，然后把硅和氧化铝层沉积到基底上，底板就做成了。
研究人员表示，在电子设备中，要求开/关电流比率越高越好，这样传感器的像素就越清晰。而99%的高纯度提供了高达100的开/关电流比率。劳伦斯伯克利国家实验室材料科学分部的阿里·杰维教授说：“利用这种溶液工艺技术，我们能用单壁碳纳米管，生成高度一致的薄膜晶体管阵列，制造出柔软灵活而有弹性的激活式矩阵底板。这一技术，结合金属喷墨打印，有望降低生产柔性电子设备的成本。”
为了演示这种碳纳米管底板的功效，研究人员还制造了一种由96个传感器像素阵列组成的电子皮肤传感器，每个像素由一个薄膜晶体管控制开关，能感知24平方厘米范围的空间压力分布。新传感器的灵敏度比该实验室去年研发的纳米线电子皮肤传感器提高了10倍，将来还可以加入多种传感器和其他功能组件来拓展这种底板的应用，使其成为多功能人造皮肤。此外，该柔性电子设备底板，还能用于太阳能电池、测步仪、衣物、柔性显示器等方面。
⑵研制可降解的硅制电路板。2015年1月16日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校约翰·罗杰斯，与塔夫斯大学洛伦左·奥姆内托共同领导的研究小组，在《物理评论快报》上发表论文称，他们想方设法地要让看似经久耐用的硅制电路板用过后，能在几天甚至十几个小时之内化为乌有，成为可降解的物品，这项研究已经取得初步成效。
报道称，有些科学家想制造出能存世几百年甚至上千年的东西，有些科学家却想让他们制造出的东西快速消亡。有的硅制电路板，就属于希望其快速分解的物品。该研究小组对各种可溶性半导体材料的性能和溶解时间进行了分析。研究表明，硅这种在今天的电子元件中最常见的半导体也能溶于水。
研究人员说，这种能够在水或者生物质液体中存留一定时间，而后发生分解的电路板称为“瞬时电路板”。该技术将有望在生物医学植入、可降解传感器，以及许多其他半导体设备领域获得应用。
研究人员发现，虽然大块的硅需要上百年甚至几个世纪才能溶解，但硅薄片却能在一个看似缓慢但仍能被人接受的时间内完成分解，这个速度大概是每天5纳米～90纳米。硅在水中溶解，会与水反应形成硅酸。而硅酸具有生物相容性和环境友好的特征，因此完全可以在生物医学植入和环境监测中进行应用。
在这项新的研究中，研究人员对二氧化硅和钨的溶解特性进行了分析，这是他们用来制造场效应晶体管和环形振荡器的材料。在生物相容的条件下，温度37℃，pH值7.4，用钨制成的部件溶解速度大约是1周的时间，二氧化硅组件的溶解速度从3个月到3年不等。
研究人员发现，电子设备的溶解速度与材料的厚度、溶液中离子的类型、浓度，以及制造二氧化硅原始基板的沉积方法相关。通过显微镜观察，他们发现，电路板的溶解并不是按照一层一层的方式来进行的，而是有些地方的溶解速度更快。这是由于一些电路板的机械结构更为脆弱，溶液更容易渗入其中。
虽然有机电子材料也能够实现可生物降解，但基于硅的电子器件具有性能更好，以及使用互补金属氧化物半导体制造工艺能够实现大规模生产，相对优势较明显。
罗杰斯称，他们在此项研究中最大的一个发现是，制造传统芯片的工厂完全能够通过选材、设计以及加工工艺顺序的改变，生产瞬时电路板。这将在很大程度上降低瞬时电路板制造成本，缩短其技术转化过程。
瞬时电子设备具有非常广泛的应用领域，特别是在医疗领域当中。例如，它们可以被用来制造可以溶解的导管；用来监测肾脏、心脏或肺的可生物降解的传感器；术后用于监测细菌感染的水溶性电子设备等。在用于环境监测时，瞬时电路板可以从远程位置发送数据，任务完成后可降解到土壤当中，减少对环境带来的污染。
罗杰斯说：“我们正在与一些工厂进行接触，希望能一起制造出更先进的可降解电路板和传感器，让具备水溶性的聚合物电路板基底成为可能，相信在不久的将来，上述设想都能够成为现实。”
2．拓展电子设备底板功能
首次把铁酸铋单晶体集成到硅基板上。2013年11月22日，美国北卡罗来纳州立大学，材料科学与工程学教授杰伊·纳拉扬领导的研究小组，在《纳米通讯》网络版上发表论文称，他们首次把一种被称为铁酸铋（BFO）的材料，作为一个单晶体，集成到一块硅基板上，向制造新一代多功能智能设备迈出了关键一步。
铁酸铋具有铁磁性和铁电性双重性能，这意味着它能够被通过其中的电流磁化。铁酸铋的潜在应用领域包括新磁性存储设备、智能传感器和自旋电子学技术等。
把铁酸铋作为一个单晶体集成在硅基板上，通过控制从铁酸铋中泄漏到硅基上的电荷数量，可以使其发挥更大效率。研究人员发现，集成在硅基上的铁酸铋晶体，在外延生长过程中，能够与锰酸锶镧（LSMO）电极很好地匹配，且可以使用小到4伏特的电流，来关闭铁酸铋磁场的两极，这与现有集成电路需要的电压相当。这对开发功能技术非常重要，因为高电压和磁场不切实际，并且需要消耗更多能量，会损害和中断电子功能。
研究人员还发现，一个低强度的外部磁场也能关闭铁酸铋的两极，而且，由于外部磁场不会在铁酸铋中产生热量，这将使它在某些应用中显得更为重要。
纳拉扬解释说：“这项工作意味着，我们现在能够开发出对数据具有更快感测、处理和反应能力的智能设备，这些过程能发生在同一个芯片上，即数据不需要被中转到其他地方。”据悉，该研究项目，得到美国国家研究委员会和陆军研究办公室资助。
（二）研制电子薄膜的新信息
1．开发出砷化铟二维半导体量子膜
2011年11月，美国加利福尼亚大学伯克利分校的阿里·杰维领导的研究小组，在《纳米快报》上发表论文称，他们开发出一种全新的二维半导体，这是一种由砷化铟制造的“量子膜”，具有带状结构，只需简单地减小尺寸就能从块状三维材料转变为二维材料。
当半导体材料的尺寸小到纳米级，它们在电学和光学方面的性质就会发生极大改变，产生量子限制效应，由此人们可以制造出被称为量子膜的二维晶体管。量子膜约为10纳米或更少，其运行基本上被限制在一个二维空间中。由于这种独特的性质，它们能在高度专业化的量子光学与电子应用领域大展所长。
目前，二维半导体方面的研究，大部分要用到石墨烯类的材料。杰维研究小组通过另一种途径，制造出砷化铟“量子膜”。而且，新量子膜可以作为一种无需衬底的独立材料，能和各种衬底结合，而以往其他同类材料只能用于一种衬底。
他们先在锑化镓和锑化铝镓衬底上，生长出砷化铟，把它置于顶层，并设计成任何想要的样子，然后将底层腐蚀掉，把剩下的砷化铟层移到任何需要的衬底上，制成最终产品。
研究小组为了测试产品的效果，把不同厚度（5纳米到50纳米）的砷化铟量子膜，转印到透明衬底上，对其进行光吸收实验，他们能直接观察到量子化的亚带，并绘制出每个亚带的光学性质。在测试它们的电学性质过程中，研究小组还观察到明显的量子限制效应，电子移动与传统的金属氧化物半导体场效应晶体管截然不同。
研究人员表示，该研究不仅给半导体家族增添了一种新材料，也有助于人们理解结构限制性材料的原理，带来更多的特殊材料，在二维物理基础设备研究方面迈出了重要一步。
2．以煤炭为原料开发出电热膜
2016年4月，美国麻省理工学院，材料科学与工程系研究人员杰弗里·格罗斯曼主持的研究小组，在《纳米快报》期刊发表研究报告认为，煤炭具有特殊的分子结构，可以作为制造太阳能板、电池或电子设备的基本材料。应该换一个角度看待煤炭了，而不是将其作为燃料付之一炬。为了展示这种传统上被视为低技术的材料具有广阔的高科技应用前景，他们成功地用煤炭研制出一种电加热装置的薄膜。这种电热膜，可用于汽车玻璃和飞机机翼的除霜，或者作为生物医学植入物的一部分。
天然煤炭的种类众多，而且它们之间的导电性能最多相差1000万倍。这意味着，如果提供足够多种类的煤炭，研究人员可以利用它们的电子特性制造出独特的电子元件。
但这项工作的挑战之一，在于如何对煤炭进行加工。经过探索，研究人员设计出一种方法：先把煤炭研制成粉末，然后将其放到溶液中溶解，最后使其沉淀在基片上并形成薄膜。利用这种方法，他们深入地对煤炭薄膜进行了测试并用来制造电热膜。研究人员发现，通过调整对煤炭进行加工时的温度，可以改变煤炭薄膜的光学和电子特性，并达到他们想要的效果。他们在研究报告中，还首次详细介绍了4种不同的煤炭(无烟煤炭、褐煤炭和两种烟煤炭)薄膜的化学、电子和光学特性。
研究人员表示，从煤炭的天然化学特性这一角度对其进行应用具有广阔的前景。一是它们在自然界含量丰富，比较廉价；二是加工过程简单，成本较低。与之相比，电子芯片的重要材料——硅虽然在自然界中含量也很丰富，但它需要提纯到99.99%以上才能用于电子产品。
美国坦普尔大学机械工程学副教授任申强评价说，这项新研究成果，有助加深人们对天然煤炭应用潜能的理解，它意味着直接从天然煤炭中开发碳纳米材料的重大进展。
