美国电子材料领域的新成果
（一）研制金属电子材料的新信息
1．开发金属电子材料的新成果
⑴把铜线制成既可输送又能储存能量的电缆。2014年6月2日，物理学家组织网报道，迄今为止，电缆只用于输送电能。想象一下，是否可以用其为随身携带的MP3播放器、智能手机和电动汽车提供动力?乍听起来如同科幻小说。而美国佛罗里达中央大学研究实验室，纳米技术科学家托马斯教授领导的研究团队，开发出的一种在单个轻量级铜线里既可传输又能存储电量的突破性方法，或可将其付诸实现。最新一期的《自然》杂志已对这项技术发表了详细论述；《材料科学》杂志还将把它作为封面重点论文。
托马斯说：“铜线是个初发点，但最终随着这种技术的改善，特种纤维也能以纳米的结构导电并储存能量。这是一个非常有趣的想法。”
托马斯说，更直接的应用可以在电动汽车、空间运载火箭和便携式电子设备的设计和开发中体现。只要是能够在同一线路上实现存储和输送能源，笨重且占空间的电池可能会成为过时的事。因此其能够进一步使电子设备小型化，或将先前用于电池的空间用作其他用途。例如，对于运载火箭，这可能会减轻负担，使发射成本更低。
据报道，一个晚上，托马斯在家附近散步的路上，获得了这个“储能电缆”的灵感。他带领团队以单一的铜线开始，在铜导线外表面生长出一层纳米晶须；然后用一种特殊的合金处理这些晶须，创建了一个电极。由于两个电极需要强大的能量储存，所以他们不得不想出一个应对办法。
研究人员在创建第二个电极时，通过在产生的晶须周围增加非常薄的塑料片材，并用金属护层将其包裹。然后采用一种特殊的凝胶，将这些层面黏合在一起。由于纳米晶须层是绝缘的，因此铜线内部保留传输电能通道的能力，而导线周围的层可独立存储大量的能量。换句话说，该团队在铜丝的外侧创建了超级电容器，可储存强大的能量，比如可以满足供应车辆或重型建筑设备的电量需要。
托马斯说，可以把这种技术方法转移到其他类型的材料上，导致特殊处理过的衣物纤维能持有足够的能量完成大的任务。例如，如果将柔性太阳能电池和这些纤维串联到外套上，便可以独立地给电子小器件和其他设备供应动力。
托马斯说：“这是非常令人兴奋的。我们一步一步地将其实现。我每天都喜欢赶到实验室，然后看看下面会发生什么。有时候也会不尽如人意，但即便那样，失败会教给我们很多东西。”
⑵研制出可像橡皮筋一样拉伸的金属纳米线材料。2015年9月21日，美国休斯敦大学教授、著名华裔纳米材料专家任志锋领导的一个研究团队，在美国《国家科学院学报》发表研究论文称，他们最近开发出一种内含金属纳米线的新型透明电导体，可像橡皮筋一样循环拉伸而不改变性能。这项成果，在柔性电子学和人体可植入设备等领域有着广泛应用。
据悉，任志锋团队利用自己创造的“纳米晶界加工法”，制备出渔网状、弯曲、宽度精确可控的金属纳米线网络结构，然后将其黏附到由聚二甲基矽氧烷制成的柔性衬底，制成可拉伸、无疲劳特性的透明电导体。
研究人员介绍道，在试验测试中，这个电导体实现了4倍拉伸，此时还具有与商业化的氧化铟锡透明导电膜相当的导电和透明性能。总体而言，该电导体能在拉伸2.5倍多达5万个循环后，电阻、透光率和结构基本上保持不变。任志锋说：“由此可以发现，该电导体能像橡皮筋一样被拉伸，且一直保持良好的导电性和透明性。”
任志锋认为，疲劳是金属材料的死敌，通常金属材料在很小的形变下(例如1%)，拉伸数千个循环就会断裂失效。新研制的可拉伸透明电导体解决了疲劳问题，一个原因是它的金纳米网络本身就具有很好的拉伸性能，另外研究人员发现调节金属网络和其衬底之间的黏附力，也能有效地提高拉伸性能和消除应变疲劳问题。
这种电导体，适用于可拉伸的发光二极管或可拉伸的太阳能电池，但任志锋说，他们更希望能用于可植入人体内部的电极，因为该电导体具有良好的生物相容性以及渗透性，植入人体不会使电极周围的组织发生炎性反应。
他举例说，心脏和动脉血管处于周期性的搏动中，这种搏动会产生较大的应变。由于人体组织器官和常规金属电极力学性能不匹配，人们很难在这种搏动的器官表面安置电极。而他们的金纳米网络具有极佳的柔性，能实现和人体组织器官的力学匹配，同时它良好的无疲劳特性，能满足心脏等搏动器官长时间周期性形变的需求。
2．研制金属电子材料的新技术
开发出用低电压控制合金液体表面张力的新技术。2014年9月1日，有关媒体报道，美国北卡罗来纳州大学，化学和分子生物工程学副教授迈克尔·迪奇领导的研究小组，开发出一项新技术，可通过提供非常低的电压来控制液体材料表面的张力，进而为新一代的重构电路、天线和其他技术打开了一扇门。
研究人员使用的，是一种镓和铟的合金液体金属。一般来说，裸合金具有非常高的表面张力，大约能达到0.5牛顿/米，使得金属可以向上成球状挺立。但新研究向镓铟合金施加一个非常小(小于1伏电压)的正电荷，在金属表面生成一种氧化层，神奇地将表面张力从0.5牛顿/米降到大约0.002牛顿/米。迪奇说：“这一变化，使得液体金属在地心引力的作用下，能平摊开如一张薄煎饼。”
新研究还证实，表面张力的变化具有可逆性。如果电荷从正变为负，氧化层就会被消除，再度恢复成较高的表面张力。通过几个小步骤，就能在两个极端之间调整表面张力。
迪奇说：“我们可以使用这种技术来控制液态金属的运动，从而能够改变天线的形状、完成或中断电路，它也可以用于微流体芯片、微机电系统，以及光子和光学器件。许多材料会在表面形成氧化物，所以这项工作的应用前景，大大超越了在这里研究的某种液态金属。”
迪奇所在的实验室，此前展示过一种3D打印液体金属的技术，可以使用在空气中形成的氧化层帮助液体金属保持某种形状，这与氧化层作用于合金的一般规律完全相反。迪奇说：“我们想，氧化层在不同环境下所表现出的力学性能可能大相径庭。”
3．研制金属电子材料的新工艺
发明可让镍基材料晶体结构“按需定制”的新工艺。2014年10月16日，物理学家组织网报道，美国能源部橡树岭国家实验室的制造业示范设备中心，研究制造工艺的首席科学家莱恩·德霍夫领导，他的同事苏瑞希·巴布等参加的研究小组，在2014匹兹堡材料科学技术会议上提交的研究成果表明，他们研制出一种新的制造工艺，能精确控制材料组成部分的结构和性能，其精度是传统制造业无法比拟的。
德霍夫说：“我们现在能控制材料局部的性能，这将在未来改变我们设计金属部件的方式。这种新的制造方法，让我们从被动设计变为主动预先设计。也会在汽车或者风力发电机等能源高效转换和能量输出应用中，获得更强硬、更轻或者性能更好的零部件。”
据报道，研究人员用一种名为“雅骏”的电子束熔炼设备，示范了这一方法，在这个设备中，连续的金属粉末涂层被电子束融化在一起形成一个三维产品，可在微观尺度上操控并精确固化生产过程。他们演示了塑造镍基材料晶体结构的三维控制过程。
晶体结构在决定材料的物理和机制属性方面，扮演重要角色。从微电子到高温喷气引擎部件都有应用，这些部件可让晶体结构按需定制，以获得所需要的表现特征。
巴布说：“我们正在熟练地使用高超3D冶金技术，但是我们从来没在这一尺度和如此细致的水平上，很好地控制以获取材料中最有益的部分。借助我们的工作成果，设计人员现在可以在部分原始材料的指定位置进行特殊晶体结构改造。”
（二）研制磁性材料的新信息
1．研发磁性材料的新成果
⑴开发出可制自旋电子学元件的磁性半导体。2006年4月，美国麻省理工学院弗朗西斯·比特领导的磁体实验室的研究小组，《自然·材料》杂志上发表研究成果称，他们研制出一种新的磁性半导体，由它制成的自旋电子学元件，可以大大提高电子线路的计算能力和灵活性，并且大幅度降低能耗。
这种新型磁性半导体，是自旋电子学研究中的一个重大突破。自旋电子学可以利用电子自旋方向来存储信息，现在的便携式电脑和iPods等设备中，已经开始利用自旋电子学制成的，超大容量磁性硬盘存储数据了。但是，利用电子的自旋态，处理线路中的信息还有待研究，这将极大地推动计算技术的发展。
⑵用原子移栽手段获得磁性半导体材料。2006年7月，美国普林斯顿大学，物理系教授阿里·亚兹达尼领导的研究小组，采用先进的扫描隧道显微镜技术，通过把金属锰原子有规律地安放在半导体材料砷化镓中，成功地将常规半导体转变为磁性半导体材料。该成果，标志着科学家首次实现对半导体原子结构，进行控制的长久梦想，并将大大加快用于计算和存储双功能计算机芯片的开发。
该研究小组，建造了一个在原子级水平研究新型材料的实验室，能够精确揭示芯片材料中原子和电子之间的相互作用。利用独特的技术，研究小组先寻找出锰原子在砷化镓材料中加强其磁性的最佳排列，然后再把锰原子逐个安插在砷化镓材料中，获得磁性砷化镓半导体材料。通常，计算机采用两种技术来计算结果和存储数据。具体来说，就是用以硅或砷化镓等为基底的半导体芯片进行运算，用附着在软盘或卷带上的磁性材料存储数据。
如果能用单一设备完成数据的运算和存储，就能缩小计算机硬件尺寸，并降低计算机能耗。这也是计算机制造业多年的愿望。
亚兹达尼十分谨慎地表示，这项技术也许不会在短期内开发成新型芯片的制造工艺，但它可以作为研究其他半导体磁性的试验平台，能够有助于基础研究工作。他认为，通过操控半导体以改变其电流和量子特性，最终将给计算机带来革命性的变化。
⑶制造出性能独特的高灵敏磁性材料。2014年3月，美国加州大学圣迭戈分校物理学家伊凡·舒尔领导的研究团队，在《应用物理学快报》发表研究成果称，他们最新发现：一种依靠微小的温度变化就能改变其磁性的高灵敏磁性材料，新材料或许能用来制造磁性储存器，提高计算机硬盘的存储性能。
这种材料目前还没有名字，但舒尔表示：“磁性氧化物混合物”或许能恰如其分地表达出其独特的属性。据报道，新材料由薄薄一层镍和一层氧化钒组成，镍有磁性且对热很敏感，而氧化钒的属性则会随温度发生改变。温度低时，氧化钒像绝缘体；温度高时像金属。舒尔表示：“将一层氧化物和一层磁性材料放在一起，我们能制造出拥有独特磁性的人工材料。”
舒尔解释道，任何磁性材料都有两个非常重要的属性：磁化和矫顽力—指在磁性材料已磁化到磁饱和后，使其磁化强度减到零所需要的磁场强度，后者对温度的依赖很弱。比如，磁性冰箱贴的矫顽力非常大，因此，在室温下，其磁性能始终保持，为了减少其矫顽力使其不再具有磁性，必须将其加热到很高的温度；而为了让其再次拥有磁性，必须将其置于一个磁场中。但新材料的矫顽力在10℃的变化范围内就能显著改变，因此，不需要将其加热到高温就可以让其再次拥有磁性。
舒尔表示，这项刚刚起步的研究有两个潜在的应用领域：存储器和变压器。未来的磁性存储系统必须使用激光器加热，但使用新材料，或许只需将其加热20开尔文就能让其矫顽力改变5倍。而且，这种材料也许还能被用于电网中，由其制成的新型变压器能像所谓的“电流故障限制器”一样，应付突然而至的电流尖脉冲。
更重要的是，除了使用温度，他们或许也能使用电压或电流来控制磁性材料的矫顽力。未参与该研究的西弗吉尼亚大学物理学家戴维·李德曼说：“仅仅通过电压施加电场来控制磁性，对于数据存储和磁性传感器来说都至关重要。一般情况下，磁性由磁场来控制，但在小范围内施加磁场非常困难，而施加电场容易一点，反应也要快很多。因此，这款新材料能应用于多个领域，比如回转轮、手机、GPS接收器、罗盘等。”
不过，李德曼也表示，迄今为止，还未曾有人演示过这种通过电控制磁性的方法，未来应该有人做到，这将“产生巨大的技术影响。”
⑷合成可替代稀土的磁性纳米材料。2015年6月，美国弗吉尼亚联邦大学物理和人文学院教授希夫·卡纳主持，该校博士后埃尔·詹蒂等参加的一个研究小组，在《应用物理学快报》上发表论文称，他们合成出一种新型磁性材料，在磁性方面可媲美稀土制传统永磁材料，有望降低工业生产中对稀土资源的依赖。卡纳说，该发现开辟了一条人工新材料赶超传统永磁材料的全新路径。
这种新材料，由铁纳米颗粒以及具有磁性的钴和碳纳米颗粒构成，后两者的尺寸大约为5纳米左右。实验显示，这种材料在磁性方面完全能够媲美那些由稀土制成的、传统的永磁材料。此外，这种材料还能在516.85℃的高温下存储信息，具有良好的耐热性和稳定性，并具备长程有序的特点，在数据存储应用领域也有潜在的应用价值。
稀土具有“工业维生素”的美誉，如今是极其重要的战略资源，在石油、化工、冶金、纺织等领域具有广泛的应用价值。特别是那些用稀土制成的永磁材料，对通讯、电子以及汽车制造等行业而言更是必不可少。此外，随着绿色科技市场的出现和快速发展，纯电动以及混合电动汽车、直驱风力发电机动力系统和储能系统的市场越来越大，永磁材料及稀土资源的需求量也随之增加，资源短缺问题日益凸显。
詹蒂说，对解决稀土资源短缺而言，这是一项重要的发现。该校纳米科学与纳米科技项目负责人埃弗雷特·卡彭特教授表示，这种新材料已经显示出了很多出色的特性，有些方面甚至超过了传统永磁材料。
2．发现磁铁新种类
发现能在磁场中膨胀的新型磁铁。2015年5月21日，美国坦普尔大学机械工程系系主任、材料基因组学和量子器件实验室负责人迪普·乔普拉，与马里兰大学材料科学和工程系教授曼弗雷德·乌提格共同领导的研究小组，在《自然》杂志上发表研究结果称，他们发现了一种新类型磁铁，当放置于磁场中时，其体积会发生膨胀，且在能量收集过程中浪费的热量少至可忽略不计。这一新发现，拥有巨大应用潜力，不仅有望取代现有技术，还可创建新的应用模式。
乔普拉说：“我们的发现，从根本上改变了，大家对自1841年以来就已有所认识的某种特定类型的磁铁的理解。”
19世纪40年代，英国物理学家詹姆斯·焦耳发现，当被置于磁场中时，铁基磁性材料会改变它们的形状，但体积保持不变。这种现象被称为“焦耳磁致伸缩”，自发现至今的175年中，所有磁体都表现出了这一特征。
乔普拉说：“我们发现了一类新的磁铁，我们称之为非焦耳磁致伸缩磁铁。在磁场中，它们的体积出现了巨大变化。而且，这些非焦耳磁致伸缩磁铁，还具有以最小的热量损失，来收集或转换能量的非凡能力。”
乔普拉和乌提格将特定的铁基合金，放在炉中加热至大约760℃，并持续30分钟，之后迅速将其冷却到室温，这时材料表现出了非焦耳磁致伸缩行为。
他们发现，经过热处理的材料中，包含从未见过的微小蜂窝状结构，这是其在磁场中表现出非焦耳磁致伸缩反应的关键。乌提格补充说：“知道这个独特的结构，将使研究人员能够开发出具有同样特性的新材料。”
研究人员指出，受焦耳磁致伸缩所限，常规磁铁只能被用作在一个方向上施加力的致动器。即便只在两个方向上致动，也需要大量笨重的磁铁，这会增大体积、降低效率。而非焦耳磁致伸缩磁铁可同时向各个方向膨胀，因此要制造紧凑型全向致动器将很容易实现。
由于这些新型磁铁也有节能的特性，它们可用来打造热损耗极低的新一代传感器和致动器，应用于航空航天、汽车、生物医药、国防、空间探索和机器人等领域。研究人员还表示，这种新型磁铁不含稀土元素，因而，可以替代现有的昂贵但机械性能低的稀土基磁致伸缩材料。
（三）研制无机非金属电子材料的新信息
1．开发无机半导体材料的新成果
⑴氮化镓材料有望成新“半导体之王”。2009年12月，美国康奈尔大学工程系教授莱斯特·伊士曼领导，他的同事及研究生石俊夏等人参与的研究小组，在《应用物理快报》上发表研究报告称，他们制成一种高效低耗的氮化镓晶体管，有望在短期内取代硅晶体管，成为电力应用中的“半导体之王”。
石俊夏等人研发出基于氮化镓材料的晶体管设备，即一种新型的电子转换器。氮化镓晶体管耐高温，其频率和功率特性，远高于硅和碳化硅等常用的半导体器件，可为笔记本电脑、海洋驱逐舰和其他电力系统等，提供高效稳定的电力来源。此外，氮化镓晶体管还能适用于混合动力汽车所需的特殊电路，把电池中的直流电，转换为用于电机驱动的交流电。
这种新型晶体管设备的电阻，比当前广泛使用的硅基电力设备低10倍至20倍，能够有效地减少电力的损失。此外，它还具有很高的击穿电压（即在发生崩溃前，可施加在某种材料上的电压总量），并能够在不出故障的情况下处理每厘米300万伏的电压，而硅基晶体管设备，仅能处理每厘米25万伏的电压。
伊士曼和同事，已对氮化镓化合物进行了长达10年的研究。他表示，提升电力利用效率的核心，在于制成能够在高电压和高强度电流之间转换的设备，从而把电力的损耗降至最低。伊士曼说，“此前没有哪种电子设备能够兼顾处理高强度电流和高电压，而我们做到了。”
伊士曼表示，在下一代的电力设备中，人们都将致力于探索降低电力损耗的方式，以保证输入和输出的电力差额最小化。而氮化镓材料是研究小组至今所知的最佳选择，其几乎可以做到电力转换的“零损失”。
⑵研发半导体材料砷化镓晶片批量生产技术。
2010年5月，美国伊利诺伊大学等机构研究人员组成的研究小组，在《自然》杂志发表研究报告说，他们研发出一种可批量生产砷化镓晶片的技术，克服了成本上的瓶颈，从而使砷化镓这种优质感光材料，有望大规模用于半导体和太阳能相关产业。
据介绍，砷化镓是一种感光性能比当前广泛使用的硅更优良的材料，理论上它可将接收到的阳光40%转化为电能，转化率约是硅的两倍，因此卫星和太空飞船等多采用砷化镓作为太阳能电池板的材料。然而，传统的砷化镓晶片制造技术，每次只能生成一层晶片，成本居高不下，限制了砷化镓的广泛应用。
该研究小组开发出的新技术，可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体，然后利用化学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层砷化镓晶片，大大降低了成本。这些砷化镓晶片可以像“盖章”那样，安装到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用已有技术进行蚀刻，根据需要制造半导体电路或太阳能电池板。
不过，目前，该技术还只能用于批量生产体积较小的砷化镓晶片，如边长500微米的太阳能电池单元，这与现在广泛使用的硅晶片相比还是太小。研究小组表示，下一步研究将致力于利用新技术，批量生产体积更大的砷化镓晶片。
⑶通过拉伸二硫化钼晶体造出能隙可变半导体。2015年6月29日，美国斯坦福大学官网报道，近日，该校机械工程师郑晓林与物理学家哈利·马诺哈兰领导研究团队，首次通过拉伸二硫化钼的晶体点阵，“扯”出能隙可以变化的半导体。利用这种半导体，研究人员有望制造出能够吸收更多光能的太阳能电池。
很多电子产品都离不开半导体。为了让半导体为人所用，研究人员必须精确地知道，电子通过晶体点阵时需要耗费多少能量。这种能量计量叫做能隙，它可以帮助科学家决定哪种物质更适合执行某种电子任务。
该研究团队所使用的二硫化钼，是一种岩石水晶。这种材料本身很常见，不过郑晓林与马诺哈兰证明，二硫化钼晶体点阵的排列方式赋予了它独特的电子特质。
二硫化钼是具有单层原子结构的物质：一个钼原子连接着两个硫原子，这种三角形晶体点阵不断在水平面上重复，形成纸一样的结构。二硫化钼自然岩石，是多个这样的单层结构叠在一起的结果。郑晓林说：“从机械工程学的角度来看，单层的二硫化钼非常迷人，因为它的晶体点阵可以被极大地拉伸而不会断裂。”
据介绍，该研究团队在芯片上雕刻出高低不平的“山峰”和“山谷”，在上面铺上二硫化钼的单层原子结构，然后将二硫化钼的晶体点阵，拉伸到“谷底”或“山峰”。这种拉伸改变了电子在二硫化钼晶体点阵中移动时所需要的能量，并产生了一种拥有可变能隙的人工晶体。
自2010年英国科学家凭借发现单层碳原子结构的石墨烯获得诺贝尔奖后，科学家一直对单层原子结构的物质非常感兴趣。2012年麻省理工学院的科学家，曾在模拟实验中拉伸二硫化钼的晶体点阵，并在理论上改变了二硫化钼的能隙。此次斯坦福大学研究团队，则通过该实验真正实现了对二硫化钼晶体点阵的拉伸。
研究人员相信，这一实验为科学界在人工晶体结构方面的进一步创新，奠定了基础。马诺哈兰认为，这一研究成果将对传感器、太阳能等多领域带来广泛影响。就太阳能领域而言，由于这种人工晶体结构，对更大范围的光谱都很敏感，因此具有用于制造更加高效的太阳能电池的潜力。
2．以新型碳物质研制电极材料的新成果
用玻璃碳制作脑机接口芯片的电极材料。2017年2月，由美国科学家山姆·卡塞格勒主持，成员来自圣地亚哥州立大学、麻省理工学院和华盛顿大学的感觉运动神经工程研究小组，在《自然·科学报告》杂志发表论文称，他们在脑机接口研究方面取得重要进展：把可植入脑芯片中的电极材料，用玻璃碳来取代薄膜铂，成功让芯片传出的信号更强更清晰，且使用寿命也大大延长。
脊髓是中枢神经系统的重要部分，一旦受伤，患者会失去四肢活动能力，但大脑仍能清晰传递电脉冲信号，四肢也能正常接收，只是信号传到受损脊髓后会被迫中止。该研究小组开发的脑机接口能绕过脊髓，将捕捉到的神经电信号传到四肢甚至假肢，恢复肢体活动能力。
目前，脑机接口所用的最高端电极材料是薄膜铂，它面临一大难题：容易被腐蚀，导致电极断裂。这次新研究，使用比薄膜铂光滑10倍的玻璃碳作为电极材料，其更耐腐蚀，能延长使用寿命。
卡塞格勒表示，玻璃碳更具优势还有一个原因，用它能直接识别神经递质信号，这样获得的信号信噪比提高了一倍，因此更清晰也更易理解。实验室研究初步表明，改进后的新脑机接口，能同时捕捉大脑皮层神经簇和大脑深处单个神经元的神经信号，将帮助科学家们更好地认识大脑信号的复杂特性。
卡塞格勒小组还有成员正在用老鼠进行实验，希望施加精准电脉冲刺激脊髓再生出新的神经细胞，取代受损组织，而玻璃碳电极制成的新脑机接口，大大提高了他们的研究能力。
（四）研制高分子电子材料的新信息
1．探索高分子电子材料机理的新发现
揭示塑料半导体中电荷陷阱的形成机制。2012年7月31日，荷兰格罗宁根大学和美国佐治亚理工学院联合组成的研究小组，在《自然·材料》杂志网络版上发表论文称，他们通过深入研究，揭示了隐藏在塑料半导体中电荷陷阱下的通用机制，并提供了一个理论框架来设计没有陷阱的塑料电子器件。
塑料半导体给低成本、大批量生产电子器件带来了希望，但它有一个重要的缺陷：电流会受到材料中电荷陷阱的影响。研究表明，塑料半导体由有机碳基聚合物制成，它含有一个可调的禁能隙。然而，电子在半导体中迁移时，有很多被卡在材料中的禁能隙陷阱里，无法转换成光，从而降低了塑料发光二级管的发光效率和塑料太阳能电池的效率。
该论文首要作者、格罗宁根大学的赫尔曼·尼科莱说，科学家对陷阱所知甚少。我们已经通过比较9种不同聚合物中的陷阱的性质，来着手解决这一难题。比较结果显示，所有材料中的陷阱都具有非常相似的能级。
佐治亚理工学院教授让·吕克·布莱德斯领导研究小组，用计算的方式研究了一大批可能陷阱的电子结构。他说，我们通过计算发现，测量到的陷阱能级，在实验上与水氧复合物产生的能级很匹配。
尼科莱解释说，水氧复合物，很容易在半导体材料的制造过程中被引入，即使我们的器件是在氮气条件下制造的，也无法阻止少量氧气和水造成的污染。
陷阱的能级与水氧复合物相似这一结果意味着，现在有可能估算出不同塑料材料中预期将产生的电流，同时，它也指明了设计不含陷阱材料的方法。
尼科莱认为，陷阱的能级就存在于禁能隙里。当一个移动的电子，跑进处于禁能隙的陷阱中，就会被抓住，因为陷阱的能级更低。他认为，如果化学家能够设计出陷阱能级高于电子运动轨道的半导体聚合物，电子就不会落入陷阱。
尼科莱表示，这项研究成果，对于设计高效的塑料发光二极管和塑料太阳能电池，具有非常重要的意义。
2．开发高分子电子材料的新成果
⑴研制出大分子碳结构有机半导体。2011年8月，美国维克森林大学物理学副教授奥纳·祖切斯库，与来自美国斯坦福大学、肯塔基大学、阿巴拉契亚州立大学、英国伦敦帝国理工学院等各个专业领域研究人员一起组成的一个国际研究小组，在《先进材料》上发表研究报告称，他们首次研制出一种含巨大分子的有机半导体材料，其结构稳定，拥有卓越的电学特性，而且成本低廉，可被用于制造现代电子设备中，广泛使用的场效应晶体管。
研究人员表示，这项突破，将会让以塑料为基础的柔性电子设备“遍地开花，有望让人造皮肤、智能绷带、柔性显示屏、智能挡风玻璃、可穿戴的电子设备和电子墙纸等变成现实。
研究人员指出，在目前的消费市场上，电子产品都很昂贵，主要因为电视机、电脑和手机等电子产品都由硅制成，制造成本很高；而碳基（塑料）有机电子产品不仅制造方便、成本低廉，而且轻便柔韧可弯曲，代表了“电子设备无处不在”这一未来趋势。
以前的研究表明，碳结构越大，其性能越优异。但科学家们一直未曾找到有效的方法，制造出更大的、稳定的、可溶解的碳结构产品，直到此次该研究小组开发出这种新的用于制造晶体管的有机半导体材料。
有机半导体是一种塑料材料，其拥有的特殊结构让其具有导电性。在现代电子设备中，电路使用晶体管控制不同区域之间的电流。研究人员对新的有机半导体材料，进行研究并探索其结构与电学属性之间的关系。
祖切斯库小组，也用新材料制造出场效应晶体管。它是所有现代电子设备的基础零件，因为晶体管的性能决定了显示屏的开关速度、细节以及其他关键属性，该最新突破有望带来巨大的技术进步，并借此设计出性能更优异、成本更低廉、由塑料制成的电子设备。
⑵研制能耐250℃高温的新型高分子介电质。2015年8月，美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员王庆领导的研究团队，在《自然》杂志发表研究成果称，他们研制的一种新型高分子介电质，不但能存储能量，还具备良好的耐高温性能，在混合动力汽车、纯电动汽车以及航天器的制造中，有着广泛的应用前景。
介电质是一种可被电极化的绝缘体。它的电传导能力很低，却具备很好的介电强度，是制造电绝缘体的理想材料。
此外，由于介电质可被高度电极化，也非常适用于制造电容器。用介电质制造的电容器在电子产品和供电系统中的应用极为广泛。
但此前绝大多数的高分子介电质都对温度比较敏感，只有在较低的温度下才能正常工作。以电动汽车为例，当内部温度达到140℃时，就必须对含有介电质的部件进行冷却。必须为此配备一个降温系统。额外的组件不仅增加了整车的重量，也在一定程度上抵消了高分子介电质材料密度小、质量轻的优势。
该研究团队新的研究中，用一种含有氮化硼纳米膜的高分子混合材料，制造出一种新的耐高温介电质。这种新材料不但在储能特性上超过了现有的高分子介电质，还能耐受一定的高温，即便在250℃的高温下也能正常工作。
此外，该材料还具备轻便、可图案化以及高度的柔性，在反复弯折后依然能保持良好的性能。
研究人员表示，这种新型材料或将改变极端条件下密集能源模块和电力电路的建造过程，对那些在温度和重量上有严格要求的设备的制造，具有重要的价值。
⑶研制出能让电子产品自我修复的聚合物材料。2017年4月，美国加州大学河滨分校一个研究小组，在近期举办的第253届美国化学学会年会上展出他们开发的新成果：一种具有延展性并能导电的透明聚合物材料，可实现电子设备和机器人的自我修复，特别适用于手机屏幕和手机电池。
自我修复材料，是一种在物体开裂或受损时，能自动进行修复的新型材料。人类皮肤，就具备自我修复的能力。自我修复材料，可应用于手机和电池上，让摔裂的手机屏修复如新，或让摔断的电池恢复供电功能。
自我修复的关键是化学键。材料中存在两种类型的键：一种是较强的共价键，一旦断裂不容易重新整合；另一种是较弱的非共价键，非常有活性，比如氢键。大多数自我修复聚合物主要依靠氢键或金属配体构成，但这些非共价键并不适合制造离子导体。
此次，研究人员采用了离子偶极相互作用的非共价键，其具备一种特殊的黏合力，这种力存在于带电离子和极性分子之间。离子偶极相互作用，此前从未应用于设计自我修复聚合物，新实验证明，其特别适合离子导体。
新的自我修复材料，由一种极性可延展的聚合物，即偏氟乙烯和六氟丙烯聚合物以及离子盐构成，可以拉伸到正常尺寸的50倍，其断为两半后，能在一天之内实现完全自动对接。
为了测试新材料，研究人员利用它制作了一种“人造肌肉”，在两层离子导体间放置了一个绝缘膜。结果显示，新材料可对电信号作出反应，带动人造肌肉移动。
目前，研究人员正在高湿度环境等恶劣条件下，对此材料进行测试。此前的自修复聚合物，在高湿度环境下表现不佳，因为材料进水后，会改变机械性能。他们正在对聚合物进行微调，以使其更接近实际应用。
⑷发明可降解的电子聚合物材料。2017年5月，美国斯坦福大学华人教授鲍哲南领导的研究团队，在美国《国家科学院学报》上发表研究报告说，他们发明了一种柔性有机电子材料，用醋这样的弱酸性物质就可以无毒降解。这种电子材料未来不仅可以减少有害的电子垃圾，还可应用于可穿戴医疗设备、环境监测等方面。
近年来，鲍哲南研究团队，在研究模仿人体皮肤功能的柔性电子方面，屡屡取得重要进展，开发出像皮肤那样可拉伸、能自愈的电子器件。但如何让电子器件如同皮肤一样具备可降解特性，从而减少电子垃圾，是他们希望解决的一个课题。
此前，该研究团队成功开发出一种导电性和拉伸性俱佳的高分子材料，可用作柔性电极。但是可导电聚合物并不能降解，因为其分子间作用力很强。在最新的研究中，研究人员使用特殊的化学方法，把聚合物原子间的连接方式改变成可逆的连接方式。
研究报告第一作者、斯坦福大学博士后雷霆说，将这种原子连接模式引入柔性可导电聚合物的设计中，可使聚合物材料在醋酸、土壤等温和的酸性环境中被分解，不会对环境造成污染。这是首种可降解聚合物半导体材料。
研究人员开发了利用铁做成柔性电极的特殊工艺，而以往电极的材料通常是金。雷霆说，金不能被人体吸收，而铁可以，并且对人体无害。
研究人员还利用造纸用的天然纤维素，制作电子器件中用以支撑和保护电子元件的衬底。他们通过化学方法对天然纤维素进行加工，使得制成的衬底具有透明、柔软、平整的特性。
研究人员说，用可降解聚合物半导体材料、电子电路和衬底构筑的电子器件在废弃时，可以整体降解成无毒成分。
研究人员指出，柔软透明的衬底意味着用于监测血压、血糖、汗液等指标的电子设备，可以妥帖地“穿”在人体皮肤上。可降解柔性医疗电子设备还适合植入人体中，不必取出来。在对偏远地区展开大面积环境监测时，科学家也可以空投不必回收、对环境无害的可降解电子传感器。
⑸研制出可拉伸全橡胶电子材料。2017年9月9日，有关媒体报道，美国休斯敦大学华人科学家余存江助理教授主持的研究小组，在《科学进展》杂志上发表研究报告说，他们在柔性可拉伸电子领域取得新突破，研制出了可拉伸的橡胶半导体和导体材料，并利用这些材料制成全橡胶晶体管、传感器和机器人皮肤。
提到橡胶，人们或许会想到用来生产手套、气球和轮胎，但如今科学家已能够用其制出可拉伸的全橡胶电子材料及器件。余存江在接受媒体采访时说，柔性可拉伸电子在健康监测、医疗植入、人造皮肤及人机交互等领域应用前景广阔。但目前的电子材料，尤其是半导体材料，大多不可拉伸。因此，人们主要通过把这些材料设计出特殊结构，来实现可拉伸的目的，如褶皱、蛇形或弹簧等，但这些方法存在工艺复杂、结构可靠性差、制作成本高等缺点。
余存江研究小组转而在材料本身下功夫，设计并制备出基于半导体纳米纤维和硅橡胶的复合橡胶半导体材料。这些橡胶半导体，不仅具有优良的机械拉伸性，还具有良好的半导体电特性，可在拉伸50%的情况下正常工作。此外，他们还开发了另外一种复合材料制备法，用金、银等金属与橡胶材料制备出能拉伸的橡胶金、橡胶银等橡胶导体材料。
利用这些橡胶电子材料，研究小组成功制成了全橡胶晶体管，以及全橡胶的温度、压力等传感器。全橡胶晶体管同样可在拉伸50%的情况下正常工作，各种传感器也具有良好的感测性能。
研究小组还成功利用这些橡胶电子器件制成机器人皮肤，并实现机器人手感测环境，以及翻译哑语手势的功能。
余存江说：“总的来说，全橡胶电子器件，继承了橡胶材料的机械性质，不仅具有优良的可拉伸延展性、良好的电性能和高结构可靠性，还具有制作工艺简单、适合大规模制造、成本低的优点。可以预见，全橡胶电子将推动新一代柔性电子的技术革新。”
3．研制高分子电子材料的新工艺
开发出促使半导体聚合物结构紧密有序的新工艺。2010年7月19日，美国物理学家组织网报道，博比·森普特、文森特·穆尼尔等美国和加拿大科学家组成的一个研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表论文称，他们研发出一种新工艺，可让电子设备中广泛使用的聚乙撑二氧噻吩结构更加紧密，因此，有望让未来的电视和计算机屏幕更亮、更干净、更节能。
聚乙撑二氧噻吩具有分子结构简单、能隙小、导电率高等特点，被广泛用于有机薄膜太阳能电池材料、有机发光二极管材料、电致变色材料、透明电极材料等领域。森普特说，聚乙撑二氧噻吩是目前世界上使用最成功的半导体聚合物之一。
改进和控制纳米结构的聚乙撑二氧噻吩分子顺序，对于该聚合物在电子应用领域“大显身手”非常关键，而高度有序的聚合物阵列，能够增加很多电子设备的效率。
研究小组在结晶铜的表面，放置了一个“先驱”分子，该分子将引导并启动聚合反应，就像把鸡蛋往纸箱内堆放一样，铜的表面有很多自由能量最小的“凹痕”，聚合分子不断填充这些“凹痕”，从而整齐地叠放在一起形成密致有序的化合物结构。森普特表示，铜表面产生的立体化学结构非比寻常，而很多合成聚合物的实验得到的聚合物阵列，通常都不那么令人满意。
密度泛函理论进行的计算，以及在橡树岭国家实验室的超级计算机上进行的模拟，都揭示这个聚合物阵列拥有高度有序的结构。另外，研究人员也使用传统的扫描隧道显微镜，仔细查看了该聚合物的构造，清楚地显示出聚乙撑二氧噻吩阵列的构造非常密实。
穆尼尔表示，尽管他们只对聚乙撑二氧噻吩聚合物进行研究，但他们相信，同样的方法可能也适用于其他聚合物。
（五）研制复合电子材料的新信息
1．开发复合电子材料的新成果
⑴研制出能够像橡皮筋般延展拉伸的复合电子材料。2012年6月26日，美国西北大学环境工程与机械工程学教授黄永刚领导，韩国高等科学技术研究院、中国大连理工大学，以及美国伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校等研究人员参与的一个国际研究小组，在《自然·通讯》发表论文称，他们开发出一种能够像橡皮筋一样延展拉伸的复合电子材料。这种材料，就算被弯曲或拉伸到原始尺寸的200%也能够正常工作，在医疗器械和消费电子设备制造等领域具有广泛的应用价值。
对心脏病、高血压、糖尿病等患者而言，定期去医院查体几乎已成为生活的一部分，这不仅费时费力也占用了大量医疗资源。早有科学家提出，可以设计一种可植入人体的微型医疗监测设备，这样既方便患者也方便医生，若有状况还能及时发现。但材料的问题成了阻碍该技术发展的一大障碍。目前的电子元件，大都以硅为基础，太过僵硬根本无法担此重任。
为攻克这一难关，在过去的5年中，黄永刚小组开发出，延展率能够达到50%的电子元件，但在许多极具价值的应用需求前，仍然捉襟见肘。其中一大挑战，便是由延伸所导致的电导率的严重损失。目前市场上由固体金属制成的电路在进行延展时，不无例外地会遭遇这一难关。
新研究中，该研究小组想出一种新方法解决这一难题。首先，他们用一种名为聚二甲基硅氧烷（PDMS）的聚合物，造出一种多孔三维高分子材料，它能延展到自身原始尺寸的3倍。而后再将液态金属灌入高分子材料的孔中，这样即便是进行高强度拉伸时，电流也不会发生中断。借助这一方法，他们制造出这种同时具备高度可延展性与极佳导电性能的材料。
黄永刚说：“该技术的关键是多孔聚合物和液态金属的结合，通过这一方法我们成功地让这种材料实现了200%的延展。有了这种材料，制造出像橡皮筋一样延展的电子设备将成为可能。”
⑵研制可避免电磁波逆向反射的新型复合材料。2012年年8月，麻省理工学院等校的一个研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表研究成果称，他们研制出一种新型复合材料，能够保持光子只沿一个方向移动，使游荡的光子改道，而不仅仅是吸收它们。研究人员表示，这十分重要，因为光子的损失会限制他们所能集成的设备数量，因而制约大规模集成光学器件的发展。虽然实验所用的原型很大，但却不需要另外施加磁场，因此其原则上能够生产出比当前的光电隔离器更小的光学元件。此外，构建芯片级别的复合材料，不需要比生成微处理器更特殊的金属，从而能够降低制造的成本。
电脑芯片利用光来移动数据将更加节能，甚至可比现今使用的芯片速度更快。而实现这点的困难之一，就是光穿过电磁波导时不发生逆向反射以干扰之后的传输，甚至中断激光的工作。
现今的光纤网络，通常使用光电隔离器来阻止光的逆向反射。这种装置一般由钇铟柘榴石等特殊材料制成，同时只能在磁场的作用下开展工作，这使得它的体积十分庞大。另外，由于隔离器会吸收光子，以避免它们发生反向散射，它同样会削弱向前移动的光学信号。
美国研究小组赋予新材料光聚集特性的，是成排嵌入的金属天线，它们看起来很像垂直和水平交错的小型螺旋桨。每根天线由电路与位于材料底部表面的反方向的天线相连，通过电路的电流方向则决定了电磁波的传播方向。这种新型复合材料提供的光学波导，对于制造能够控制光学信号的芯片上设备十分有用。在芯片生产中，这些天线能被轻易地嵌入硅中。
2．研制复合电子材料的新技术
⑴开发出把复合半导体纳米线整合在硅晶圆上的新技术。2011年11月，美国伊利诺伊大学电子和计算机工程教授李秀玲领导的研究小组，在《纳米快报》杂志上发表研究成果说，他们开发出一种新技术，首次成功地把复合半导体纳米线整合在硅晶圆上，攻克了用这种半导体制造太阳能电池会遇到的晶格错位这一关键挑战。他们表示，这些细小的纳米线，有望带来优质高效且廉价的太阳能电池和其他电子设备。
据介绍可知，Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体，指元素周期表中的Ⅲ族与Ⅴ族元素，结合生成的化合物半导体，主要包括镓化砷、磷化铟和氮化镓等。其电子移动率远大于硅的电子移动率，因而在高速数字集成电路上的应用比硅半导体优越，有望用于研制将光变成电或相反的设备，比如高端太阳能电池或激光器等。然而，它们无法与太阳能电池最常见的基座硅无缝整合在一起，因此，限制了它们的应用。
每种晶体材料都有特定的原子间距——晶格常数（点阵常数），Ⅲ—Ⅴ族半导体，在制造太阳能电池的过程中，遭遇的最大挑战一直是，这种半导体没有同硅一样的晶格常数，它们无法整齐地叠层堆积在一起。李秀玲教授解释道，当晶体点阵排列不整齐时，材料之间会出现错位。此前，研究人员一般把Ⅲ—Ⅴ族半导体，沉积在一个覆盖有一层薄膜的硅晶圆上方，但晶格失配会产生压力从而导致瑕疵，降低所得到设备的性能。
而在最新研究中，研究人员摒弃了薄膜，让一个细小的、排列紧凑的，Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体组成的纳米线阵列，垂直在硅晶圆上生长。李秀玲表示：“这种纳米线几何图形，通过使失配应变能真正通过侧壁消失，从而更好地摆脱了晶格匹配的限制。”
研究人员发现了不同铟、砷、镓组成的Ⅲ—Ⅴ族半导体，生长所需要的不同环境。最新方法的优势在于，他们可以使用普通的生长技术，而不需要特殊的方法，让纳米线在硅晶圆上生长，也不需要使用金属催化剂。
这种纳米线的几何形状，能通过提供更高的光吸收效率和载荷子收集效率，来增强太阳能电池的性能，它也比薄膜方法用到的材料更少，因此降低了成本。
李秀玲相信，这种纳米线方法，也能广泛地用于其他半导体上，使得其他因晶格失配而受阻的应用成为可能。其研究小组很快将展示优质高效的、基于纳米线的多结点串联太阳能电池。
⑵开发柔性复合材料的电子技术。2015年8月18日，在近日举办的第250届美国化学学会全国会议上，美国莱特·帕特森空军基地空军力量实验室一个研究团队，展示了他们最新的柔性复合材料电子技术。研究人员认为，未来超薄的弹性高性能电子产品，将会逐渐取代刚性印制电路板，在军事及日常生活中均大有用武之地。
该实验室本杰明·利威尔博士说：“这种复合电子技术，能充分融合传统的柔性电子元器件、高性能电子产品和新兴的3D打印方法，能将金属、聚合物和有机材料整合到‘墨水’中，将整个系统以电子方式连接在一起。用这种技术，可以制成几百个纳米厚的硅集成电路，使其成为像塑料一样柔软、可以弯曲甚至折叠的基材。”
利威尔介绍，为了让电子器件在装配后可弯曲或伸展，帕特森团队采用了液体镓合金作为电器互连材料。他说：“虽然这些液态合金通常在几分钟内，就可以氧化成无用的材料，但研究团队找到了减少这种氧化过程的方法。”用特殊方法制作的超薄可折叠材料，允许电路贴合材料空间，甚至融入复杂的诸如飞机机翼或人类皮肤的弯曲表面。
在飞行器中，这种复合柔性系统可用来监测压力和应力；通过微型嵌入式天线，可向地面人员报告飞行员的健康信息；可穿戴的生物传感器在测量心跳、出汗水平、温度和其他生命体征的同时，还能实时测量疲劳和潜在认知问题的指标。
利威尔透露，另一个军事应用是将其放置在“地堡克星”炸弹上，初步测试表明柔性电路能在炸弹被释放出飞机后、与地面接触的初期保持活性并引爆武器。
在日常生活中，利威尔预测，这种灵活的电子系统，可以实时监测桥梁和其他基础设施的施工条件；在医疗应用中，可以反馈，运动员训练时的身体指标或实时监控病人的重要生命体征。
