南大研發出新型「三明治」結構電子元件：可耐340℃高溫

「三明治」結構電子元件將有效解決電子產品高溫下自動關機的問題。　資料圖　攝

中新網南京2月7日電 (記者 申冉 通訊員 齊琦)手機因高溫自動關機，電腦因散熱不及時自動切斷電源……7日，記者從南京大學獲悉，該校科研團隊最新研發的不怕熱「三明治」結構電子元件將有效解決大部分電子產品不耐高溫的問題。據悉，該團隊的研究成果近日已在《自然·電子學》(NatureElectronics)雜誌上發表。

據該科研團隊的負責人、南京大學教授繆峰介紹，目前，在人們使用的手機和電腦等電子產品中，有著大量用於運算和儲存的電子元件，由於受制於125℃的工作溫度極限，一旦超過這個溫度大部分元件都會出現計算結果出錯和數據丟失的狀況。「也正是因此，電子工程師們不得不在手機和電腦里設置一個高溫保護機制：一旦溫度過高就自動切斷電源。比如很多人在使用手機或者電腦玩遊戲時，內部電子元件的高負荷運轉會導致其溫度迅速升高，最終引發高溫保護，自動關機。」

「實際上，電子元件『怕熱』的問題不僅僅出現在電腦手機這些日常電子產品中，在航天航空、軍事、地質勘探和石油天然氣鑽井等高精尖領域中，電子元件需要面臨更加極端的溫度環境，往往被要求能夠在300℃以上的高溫下穩定工作。」繆峰告訴記者，傳統電子元件基本不可能在如此高溫下穩定工作，「目前解決這個問題的主要辦法，是通過冷卻系統來為電子元件降溫，這樣儘管能夠保證電子元件的正常工作，但額外配置的冷卻系統會很大程度上增加成本和能耗，降低可靠性。因此，科學家和工程師們多年來一直都在努力地研究『不怕熱』的電子元件。」

繆峰在實驗室對研究儀器進行檢測。　申冉 攝

而繆峰領導的科研團隊，此次研發出來的「不怕熱」的電子元件正是基於一種能耐熱的新型材料，最高能夠在340℃的溫度下保持穩定工作。

據繆峰介紹，該團隊研究的這類電子元件叫做憶阻器(記憶電阻)，顧名思義，它是一種基於「記憶」外加電壓或電流歷史而動態改變其內部電阻狀態的電阻開關，是一種運算和存儲元件。由於擁有超小的尺寸，極快的擦寫速度，超高的擦寫壽命，多阻態開關特性和良好的CMOS兼容性，憶阻器被業內視為傳統運算和存儲元件的潛在代替者和可應用在未來人工智慧(神經形態計算)技術的重要候選者。

此次該團隊創新性地選擇了兩種二維原子晶體材料：硫氧化鉬(氧化二硫化鉬)和石墨烯分別作為憶阻器的介質層和電極材料，製成「三明治」結構的范德華異質結。「目前，在工業領域，二硫化鉬和石墨烯是兩種較為常見的固體潤滑材料，防止摩擦過度。」據繆峰介紹，選擇這兩種材料進行嘗試正是看中了它們能夠在摩擦產生高熱的環境下穩定工作的特性。

南京大學教授繆峰向記者介紹這種新結構電子元件的抗熱原理。　申冉 攝

「經過測試，我們發現這種基於全二維材料的異質結能夠實現媲美傳統憶阻器的穩定開關：可擦寫次數超過千萬次，擦寫速度小於100納秒，並且擁有很好的非揮發性。該結構的憶阻器能夠在高達340℃的溫度下穩定工作並且保持良好的擦寫性能。」繆峰告訴記者。

據介紹，該團隊同時還和南京大學現代工程與應用科學學院的王鵬教授課題組合作，利用透射電子顯微鏡對這一新型「三明治」結構材料進行了深入研究，發現該憶阻器的耐熱性來源於硫氧化鉬晶體超高的熱穩定性，並進一步揭示了這類器件中基於氧離子遷移的工作機制。研究結果顯示，這類憶阻器在擦寫過程中一直被具有超高熱穩定性的單晶石墨烯和層狀硫氧化鉬很好地保護著，保證了高溫擦寫過程中的穩定性。

「這個研究工作不僅展示了二維層狀材料異質結構在憶阻器領域中的巨大應用前景，對未來極端環境下電子元件的設計與研究有著重要的指導意義；同時也令我們認識到，二維材料異質結構可以結合不同二維材料的優異性質，給學界和業界提供了一種解決其它領域電子器件技術挑戰的可能的通用途徑。」

繆峰表示，目前這項科研成果還僅停留在實驗室層面，但已分別在中國和美國申請專利，相信有希望較快進入應用階段，「可以想像，這種元件如果應用於手機和電腦等電子產品，以及極端環境中作業的電子設備，都可很好地解決機器抗熱的問題，令工業器械很大程度上擺脫對散熱冷卻系統的依賴。」(完)

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