鍺、鎵、石墨烯：全球各地的實(shí)驗(yàn)室，研究人員正在嘗試各種新材料，以使處理器的速度更快、使顯示器的彩色更豐富、使電池能量密度更高。

尋找新材料的研究人員目前研究的材料尺寸是常人難以想象的：當(dāng)前一個(gè)最新的CPU晶體管寬度僅有60nm，比大腸桿菌還要小百倍。在顯示器中，最小部件的厚度僅有幾個(gè)原子層的厚度。在未來(lái)，IT技術(shù)的基礎(chǔ)模塊將會(huì)變得更小，因此研究人員必須不斷地開(kāi)發(fā)新的高科技材料，以便在更微小的尺寸下派上用場(chǎng)。除了眾所周知的“神奇材料”石墨烯以外，科學(xué)家正在試驗(yàn)其他的一些物質(zhì)，例如傳統(tǒng)材料硫，無(wú)論是在單層原子結(jié)構(gòu)的顯示面板上還是更微小的CPU中，甚至是開(kāi)發(fā)新電池時(shí)它的潛力都超乎想象。

更好的電腦

通過(guò)鍺和硅材料可以制造出更小的晶體管，支持更快的CPU和更靈活的存儲(chǔ)介質(zhì)。

摩爾定律是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的口頭禪：處理器必須不斷變得更小和更快。但是按照目前的技術(shù)工藝，作為晶體管主要材料的硅很快將達(dá)到它的物理極限，要能夠遵循摩爾定律，必須找到制造晶體管的新材料。目前被考慮作為硅替代品的一種材料是鍺，這種半導(dǎo)體材料與硅相比有明顯的優(yōu)勢(shì)：它的低電阻特性能夠支持CPU以更高時(shí)鐘頻率運(yùn)算，而不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生臨界熱流。此外，鍺晶格比硅更為緊密，對(duì)于設(shè)計(jì)更小的晶體管來(lái)說(shuō)這一點(diǎn)尤其重要。微芯片由數(shù)百萬(wàn)到數(shù)十億個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor，簡(jiǎn)稱FET）組成：這些FET包含正導(dǎo)電的PFET和負(fù)導(dǎo)電的NFET兩種不同的類型，雖然使用鍺材料的PFET已經(jīng)使用了很長(zhǎng)一段時(shí)間，但是NFETS仍然需要采用硅，這導(dǎo)致了晶體管尺寸無(wú)法進(jìn)一步縮小。不過(guò)，美國(guó)普渡大學(xué)的研究人員葉培德最近介紹的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，簡(jiǎn)稱CMOS）電路中，據(jù)說(shuō)采用了基于鍺的NFETS。

硅的相關(guān)物有潛力

美國(guó)得克薩斯大學(xué)的亞歷克斯·杰姆科夫認(rèn)為，鍺并不僅僅可以作為CPU的基礎(chǔ)材料，它還徹底改變了存儲(chǔ)技術(shù)。按照物理學(xué)家的計(jì)算，鍺可以用于制作鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Ferro-electric Field Effect Transistor，簡(jiǎn)稱FeFET）。由于FeFET是非易失性的，因而它可以在沒(méi)有電源的情況下保持狀態(tài)（類似EEPROM閃存）。其結(jié)果是，它可以用于制作永久性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，并且使用FeFET的內(nèi)存無(wú)論是讀出還是寫(xiě)入，速度和現(xiàn)在的內(nèi)存一樣快。杰姆科夫在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)將鈦酸鋇層放置在鍺塊上完成了FeFET的核心部件柵極的構(gòu)建，目前，他正在研究一種方法來(lái)為FeFET的源極和漏極添加新材料。

除了考慮鍺作為硅的替代品之外，二維納米層材料也可以作為硅的替代品。二維納米層也就是每層僅只有一個(gè)原子的單層材料，這種材料中最有名的是石墨烯，但是這種通常被稱為“奇跡”的碳化合物實(shí)際上并不適合用于制造CPU，因?yàn)檫@種材料幾乎沒(méi)有電阻，制成的石墨烯晶體管將不存在打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)。而由硅原子制作而成的二維納米層可以說(shuō)是一個(gè)希望，雖然其生產(chǎn)難度比石墨烯更高，但是由于它的波浪形結(jié)構(gòu)具有所謂的帶隙，所以這一屬性使得該材料具有可操作性。問(wèn)題是硅烯（Silicene，單原子層的硅）在空氣中幾分鐘就會(huì)消失，因此，目前科學(xué)家們正想方設(shè)法解決這一問(wèn)題。現(xiàn)在已經(jīng)想出的辦法是使用特氟隆保護(hù)層，如果能夠成功解決這一問(wèn)題，那么CPU的小型化問(wèn)題將不會(huì)再受到材料的限制，暫時(shí)可以得到解決。

更小的晶體管不僅需要新材料，還需要新的制造方法。低于10nm的設(shè)計(jì)，芯片制造商必須依靠納米線晶體管，但是晶體管需要與其他晶體管和控制器連接，納米線晶體管與外界的連接問(wèn)題一直難以解決，如果采用普通的金屬連接技術(shù)，則需要更多制備和后期裝配工作，制作工藝會(huì)非常復(fù)雜。不過(guò)，哥本哈根大學(xué)的研究人員已經(jīng)找出了一種新的方法，可以完全解決這一問(wèn)題。托馬斯·砂耶斯佩森教授和他的同事們成功地開(kāi)發(fā)出了包含電觸點(diǎn)的混合納米線，砂耶斯佩森教授認(rèn)為，混合納米線非常有潛力，不僅提高了納米晶體和電子觸點(diǎn)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)的承載能力，同時(shí)也為制造新型電子元件提供更多的可行性。他和他的同事彼得展示了一個(gè)通過(guò)數(shù)以億計(jì)混合納米線制作的芯片。對(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)，考慮的不僅僅是滿足傳統(tǒng)電腦的需求，砂耶斯佩森教授認(rèn)為這種新方法最終可以為未來(lái)的超導(dǎo)電子的制備奠定基礎(chǔ)，可以在未來(lái)的量子電腦中使用。

陶瓷超導(dǎo)體的突破

然而，超導(dǎo)體最大的問(wèn)題是，它們只有在非常低的溫度下才能達(dá)到它們的零電阻電導(dǎo)率，例如鋁，只有在-272℃時(shí)才變成為超導(dǎo)體。因此，它必須用液體氦冷卻，而這是一項(xiàng)非常昂貴的操作。為了更經(jīng)濟(jì)地操作超導(dǎo)體和量子計(jì)算機(jī)，最好是選擇一種超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與室溫相近的超導(dǎo)材料。這或許是不可想象的，但是卻未必是完全不可能的。一個(gè)以馬克斯·普朗克為首的國(guó)際工作小組的研究人員已經(jīng)成功地通過(guò)在常溫下用紅外激光閃爍短時(shí)間轟擊，使一個(gè)特定的陶瓷超導(dǎo)化合物在室溫下成為超導(dǎo)體。但效果僅持續(xù)了幾萬(wàn)分之一微秒，不過(guò)研究人員感覺(jué)很振奮，認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)是邁向未來(lái)超導(dǎo)體不需要被冷卻的第一步。

所有對(duì)于新材料的研究，如果是為了在提高芯片和存儲(chǔ)介質(zhì)的速度方面取得進(jìn)展，那么如果不能夠同時(shí)解決另一個(gè)瓶頸，所有這一切則都有可能是徒勞的，這就是一直沒(méi)有得到解決的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。截至目前，芯片之間或者存儲(chǔ)單元之間都是通過(guò)傳統(tǒng)的銅纜傳輸數(shù)據(jù)，這種傳輸方式對(duì)于未來(lái)兆級(jí)處理器的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)說(shuō)是不合格的。如果要實(shí)現(xiàn)流暢的數(shù)據(jù)傳輸，理想的解決方案是使用光代替金屬導(dǎo)體。但是專家找不到一個(gè)合適的材料可以用于生產(chǎn)激光器，同時(shí)又可以與目前的芯片兼容。不過(guò)，德國(guó)的于利希研究中心和瑞士的保羅·謝爾研究所日科學(xué)家最近取得了一些突破性的進(jìn)展，在2015年1月下旬，他們推出了一個(gè)由鍺錫化合物制作的紅外線激光器。由于這種材料可以被整合到目前的芯片中，所以有可能不僅能夠?qū)﹄娔X的速度產(chǎn)生正面作用，同時(shí)還可能大幅度降低電腦的功耗。不過(guò)，目前這一原型工作時(shí)必須大幅度冷卻，研究者正試圖找到一個(gè)解決這個(gè)問(wèn)題的辦法。

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鍺：新的芯片？

雖然世界上第一個(gè)晶體管采用的材料是鍺，但是這種半導(dǎo)體早已經(jīng)讓位于更容易處理的硅，不過(guò)，新的研究或許能夠有助于它的復(fù)興。

采用新型晶體管的存儲(chǔ)革命

鐵電晶體管制成的內(nèi)存和現(xiàn)有內(nèi)存的速度一樣快，和機(jī)械硬盤一樣地穩(wěn)定，這種在很長(zhǎng)一段時(shí)間中都只是純理論的產(chǎn)品，或許可以通過(guò)鍺來(lái)實(shí)現(xiàn)。

硅烯可以讓芯片做得更小

由于硅原子的波狀結(jié)構(gòu)，上部的電子與下部的能量狀態(tài)稍微有點(diǎn)不同，因而，相對(duì)于石墨烯，硅烯更適合用于制造晶體管。

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批量生產(chǎn)碳納米管

一種新型半導(dǎo)體納米管的電觸點(diǎn)“生長(zhǎng)”在其原子層上，這種穩(wěn)定的連接可以適應(yīng)工業(yè)規(guī)模上的處理。

在室溫下超導(dǎo)

在超導(dǎo)的情況下，金屬的內(nèi)磁場(chǎng)向外擠壓，其中磁鐵將開(kāi)始浮動(dòng)，研究人員首次在室溫下實(shí)現(xiàn)這種實(shí)驗(yàn)。

解決電腦數(shù)據(jù)傳輸瓶頸

CPU內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速率是電腦的瓶頸，現(xiàn)在，一個(gè)由鍺錫化合物制作的紅外線激光器將可以解決這個(gè)問(wèn)題。

北萊茵-威斯特法倫州的創(chuàng)新

使用一臺(tái)化學(xué)氣相沉積機(jī)器，德國(guó)的于利希研究中心和瑞士的保羅·謝爾研究所科學(xué)家開(kāi)發(fā)和制造了部分新型的鍺錫激光器。

量子點(diǎn)顯示器

使用新材料，可以顯著提高現(xiàn)在的顯示技術(shù)，并制作全新的顯示器。

電視制造商如三星和LG之間的競(jìng)爭(zhēng)是非常激烈的，因而，可以生產(chǎn)出更多、更好的產(chǎn)品。2015年CES大會(huì)上，這兩家公司都推出了采用所謂的量子點(diǎn)技術(shù)的UHD電視，量子點(diǎn)技術(shù)不僅能夠拓展液晶顯示器面板的尺寸，同時(shí)還可以提高色彩飽和度。量子點(diǎn)是納米晶體，是由銦鎵砷化合物組成的所謂的化合物半導(dǎo)體。它們可以根據(jù)大小精確限定發(fā)光的波長(zhǎng)，由于量子點(diǎn)的尺寸可以在制造過(guò)程中精確地控制，因而它們產(chǎn)生的顏色也可以被非常精確地確定。如果在一個(gè)發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，簡(jiǎn)稱LED）顯示器中，數(shù)以億計(jì)的紅色和綠色量子薄膜在藍(lán)色背光的照射下，將可以產(chǎn)生一個(gè)包含所有RGB彩色的高品質(zhì)白色光。在目前的LED顯示器中通常采用白色背光源，紅色和綠色的分量看起來(lái)會(huì)比藍(lán)色分量弱。因而，量子點(diǎn)技術(shù)的LED顯示器通過(guò)藍(lán)色背光來(lái)補(bǔ)償這種不平衡的色彩，可以使顯示器擁有更大的色牢度。此外，事實(shí)上量子點(diǎn)可以精細(xì)地調(diào)整色調(diào)，使顯示器可以顯示所有可以想象的色調(diào)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，量子點(diǎn)薄膜的處理成本并不昂貴，因此，它們可以被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)有的液晶顯示器制造工藝上。其結(jié)果將會(huì)是生產(chǎn)出一種圖像質(zhì)量可以與有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode，簡(jiǎn)稱OLED）顯示器相媲美的產(chǎn)品，但投資和生產(chǎn)成本只需要LED顯示器的一小部分。

石墨烯制成的透明LED燈

另一種基于納米材料的顯示技術(shù)目前仍處于起步階段，但這種技術(shù)有可能產(chǎn)生全新的顯示器。英國(guó)曼徹斯特和謝菲爾德大學(xué)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種半透明的顯示器，該顯示器使用的LED集成在一個(gè)石墨烯襯底上，顯示器由多個(gè)二維晶體堆疊而成，其厚度只有10至40個(gè)原子厚。它是透明的，且整個(gè)表面都可以產(chǎn)生光。該顯示器的核心是一個(gè)所謂的量子阱（Quantum well），這是由科學(xué)家通過(guò)組合的一維晶體結(jié)構(gòu)制作的，在量子阱中，電子根據(jù)各自的運(yùn)行方式發(fā)射光子。而研究人員可以根據(jù)需要選擇內(nèi)部的材料（本例中是二硫化鎢）來(lái)確定所發(fā)射光子的波長(zhǎng)。因而顯示器可建立在柔性的石墨烯襯底上，它不僅透明，而且也很靈活，理論上可繞在手腕上佩戴。

也是為什么目前使用類似電池的電動(dòng)車?yán)锍讨挥?50km左右的原因。此外，鋰離子電池的陰極材料錳或鈷都是相當(dāng)昂貴的，因此德國(guó)弗勞恩霍夫研究所在2014年4月開(kāi)啟“LiScell”項(xiàng)目，致力于研究鋰硫電池（Li-S），鋰硫電池中可以使用具有成本效益并且無(wú)毒的硫取代鋰離子電池此前昂貴的陰極材料。此外，研究人員希望可以通過(guò)這種技術(shù)，將電池的能量密度至少提高60%。

通過(guò)金屬空氣電池可以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，但不幸的是鋁之類的金屬陽(yáng)極在電化學(xué)過(guò)程中會(huì)很快損壞。不過(guò)日本富士顏料公司聲稱已經(jīng)成功制造出新型的鋁空氣電池，制造商稱，這種電池的鋁電極可以持續(xù)使用14天，它由一個(gè)陶瓷層保護(hù)著。根據(jù)富士顏料公司的介紹，這種電池的理論能量密度比鋰離子電池高40倍，而且這種電池的操作非常簡(jiǎn)單，需要充電時(shí)只需要補(bǔ)充水即可。

量子點(diǎn)電視機(jī)

在拉斯維加斯CES 2015年大展中，三星和LG展示了他們采用量子點(diǎn)技術(shù)的新電視旗艦產(chǎn)品，這些設(shè)備年內(nèi)將開(kāi)始發(fā)售。

尺寸問(wèn)題

量子點(diǎn)是砷化銦鎵納米晶體，如果它們被能量激發(fā)，它們將發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，通過(guò)控制量子點(diǎn)的尺寸，可以再現(xiàn)可見(jiàn)光譜中的每種顏色。

更好的量子阱發(fā)光二極管

通過(guò)組合不同的二維材料，光子在納米級(jí)可以被控制，這種量子阱是透明LED的基礎(chǔ)。

更強(qiáng)大的電池

每天都需要提醒自己為手機(jī)充電。新型電池將很快會(huì)解決這種煩惱。

智能手機(jī)越來(lái)越薄、速度越來(lái)越快，但是如果電池連一天也撐不過(guò)去，那么這些都是沒(méi)有意義的。在移動(dòng)計(jì)算與可穿戴設(shè)備應(yīng)用越來(lái)越廣泛的時(shí)代，對(duì)于高性能電池的需求正在不斷增加。這其中的關(guān)鍵是能量密度，所謂能量密度是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小，具體到電池，也就是在特定大小的電池之內(nèi)能夠容納多少電荷載體。對(duì)于當(dāng)前主流的鋰離子電池技術(shù)，這意味著在電池陽(yáng)極的鋰原子數(shù)量越多，可以存儲(chǔ)的能量就越高。

那么，最有效的解決方案顯然是制造純鋰的陽(yáng)極，然而到目前為止，類似嘗試不是導(dǎo)致電池?zé)o法工作，就是電池在幾個(gè)充電周期之后付之一炬。

麻省理工學(xué)院旗下一家名為SolidEnergy的公司目前已成功地解決了這個(gè)問(wèn)題，導(dǎo)致電池著火主要的原因是鋰與電解液之間的化學(xué)反應(yīng)，因而，通過(guò)固體電解質(zhì)防止鋰與電解液產(chǎn)生反應(yīng)，可以有效解決這一問(wèn)題。固體電解質(zhì)就像是鋰與電解液之間的分隔物，雖然它無(wú)法和液態(tài)電解質(zhì)一樣引領(lǐng)離子，但由于它非常薄，因而并不會(huì)造成什么問(wèn)題。這種新的方法可以極大地提升能量密度。在測(cè)試中，這種電池在300次充電循環(huán)之后，存儲(chǔ)容量減少只有約20%，性能完全可以和目前智能手機(jī)使用的電池相當(dāng)。

未來(lái)的空氣和水電池

盡管鋰離子電池目前是各種設(shè)備的首選，但是對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)它的能量密度實(shí)在是太低了，所以它并不是一個(gè)好的選擇。這也是為什么目前使用類似電池的電動(dòng)車?yán)锍讨挥?50km左右的原因，但這實(shí)在不是一個(gè)可接受的結(jié)果。此外，鋰離子電池的陰極材料錳或鈷都是相當(dāng)昂貴的，因此德國(guó)弗勞恩霍夫研究所在2014年4月開(kāi)啟“LiScell”項(xiàng)目，致力于研究鋰硫電池（Li-S），鋰硫電池中可以使用具有成本效益并且無(wú)毒的硫取代鋰離子電池此前昂貴的陰極材料。此外，研究人員希望可以通過(guò)這種技術(shù)，將電池的能量密度至少提高60%。

通過(guò)金屬空氣電池可以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，但是不幸的是鋁之類的金屬陽(yáng)極在電化學(xué)過(guò)程中會(huì)很快損壞。不過(guò)，日本富士顏料公司聲稱已經(jīng)成功制造出新型的鋁空氣電池，制造商聲稱，這種電池的鋁電極可以持續(xù)使用14天，它由一個(gè)陶瓷層保護(hù)著。根據(jù)富士顏料公司的介紹，這種電池的理論能量密度比鋰離子電池高40倍，而且這種電池的操作非常簡(jiǎn)單，需要充電時(shí)只需要補(bǔ)充水即可。

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鋰離子電池運(yùn)行時(shí)間加倍

鋰離子電池的尺寸主要由陽(yáng)極確定，SolidEnergy公司通過(guò)新的材料和制造工藝使它可以使用純鋰的陽(yáng)極，可以大幅度地縮小電池。

硫作為新的陰極材料

德國(guó)弗勞恩霍夫研究所“LiScell”項(xiàng)目旨在研究新的電池，他們研究發(fā)現(xiàn)可以在鋰離子電池中使用廉價(jià)的硫取代此前昂貴的陰極材料。

鋰離子電池并未終結(jié)

電池的質(zhì)量取決于兩個(gè)因素：決定充電和放電過(guò)程的功率密度以及決定存儲(chǔ)容量的能量密度。