復旦大學修發賢團隊制作出最高導電率的外爾半金屬材料-砷化鈮納米帶

3月19日,材料領域國際頂級期刊《自然·材料》,發表復旦大學修發賢團隊最新研究論文,《外爾半金屬砷化鈮納米帶中的超高電導率》,制備出二維體系中具有目前已知最高導電率的外爾半金屬材料-砷化鈮納米帶。

復旦大學修發賢團隊制作出最高導電率的外爾半金屬材料-砷化鈮納米帶

導電材料是電子工業的基礎,現在最主要的材料是銅,已大規模用於晶體管的互連導線。信息時代,計算機和智能設備體積越來越小,信號傳輸量爆炸式增長,芯片中上千萬細如發絲的晶體管互連導線“運送壓力”隨之加大。而當銅變得很薄,進入二維尺度時,電阻變大,導電性迅速變差,功耗大幅度增加。這也是制約芯片等集成電路技術進一步發展的重要瓶頸。修發賢團隊新研制的砷化鈮納米帶材料,電導率是銅薄膜的一百倍,石墨烯的一千倍。

復旦大學物理學系教授修發賢:我們利用瞭氯化鈮,利用瞭砷還有氫氣三種元素把它們放在一起進行化學反應來制備這種砷化鈮納米帶,這種材料它表面有一個表面態,這個表面態就允許電子在上面快速地通行,可以說是我們創造瞭一個綠色的通道,這樣的話,在低維尺度下,就可以讓電子快速通過而降低能耗。

同時,區別於超導材料隻能在零下幾十度超低溫下應用,新材料砷化鈮的高電導機制即使在室溫下仍然有效。這一發現也為材料科學尋找高性能導體提供瞭一個可行思路,在降低電子器件能耗等方面有重大價值。

復旦大學物理學系教授修發賢:我們的手機發熱、電腦發熱是有兩個原因,晶體管本身的發熱和電流流經這些(互連)導線所產生的導線發熱,那我們現在要解決的問題就是導線的發熱,我們的這個材料就可以在這一方面有所用途。

材料相關資訊介紹:

“我國制造業整體升級,追根溯源,要從基礎材料、核心器件和生產工藝上真正實現升級,這方面核心能力必須牢牢攥在中國人手裡!”全國政協委員、北京工業大學激光院院長王璞接受科技日報記者專訪時說:“核心材料、核心器件和核心技術是民族工業長遠發展之基。”

復旦大學修發賢團隊制作出最高導電率的外爾半金屬材料-砷化鈮納米帶

以他主要研究的高功率光纖激光技術為例,核心器件和核心材料涉及特種光纖的拉制,就需要進口高純度石英棒材及氣源,“或者我們技不如人,或者成本降不下來,總之是被卡著脖子。”

本報深入調查發現,王璞委員提出的問題,是基礎材料學界和新材料應用產業界共同憂心的問題。

比如,一噸陰極銅,市場價5萬元;國外發達國傢用這噸原銅制造的、芯片用引線框架C19400銅材,進口價高達10萬元一噸!每噸5萬元差價,差在哪?

北京有色金屬研究總院從事銅合金材料研究開發的專傢王強松教授告訴科技日報記者,傳統C19400引線框架材料,生產工藝流程除瞭熔鑄和成型及退火環節外,固溶和時效熱處理則是獲得優異性能的關鍵工序,通過關鍵控制可以獲得材料抗拉強度500MPa,導電率60%—65%IACS,是目前國內引線框架材料主流產品,市場容量保守估計在10萬噸—15萬噸/年。

“C19400是基礎工業材料的一個典型代表,但並非不可替代。”王強松說:“我們從理論出發,一直尋找帶有‘鑄造基因’的改性材料。從2017年底開始,我們團隊發現,加瞭氣凝膠納米顆粒的新型銅材,抗拉強度保持500MPa的同時,導電率至少提高10%—15%,同時工藝工序控制難度下降,制造成本下降幅度也達每噸2000—3000元。”

他認為,氣凝膠納米顆粒將銅改性到這種程度,可以稱做顛覆性技術突破。他正在推進產業化的這一技術方法,已經引來美國市場情報機構的多輪打探,而相關工藝因投資大、風險高,尚未順利完成中試流程固化,大規模產業化之路卻艱難重重。

王強松提到的核心材料氣凝膠,被《科學》雜志列為全球最具潛力十大新材料之一。作為世界上最輕的固體、導熱系數最低的材料,其在熱學、光學、電學、力學、聲學等領域顯示瞭奇特的特性,是具有巨大應用價值的軍民兩用新材料。

全球氣凝膠最大生產廠傢阿斯彭氣凝膠公司隸屬於美國國傢航空航天局,其昂貴的產品主要應用在航天、軍事和石油領域。

受邀入駐中關村軍民融合產業園的氣凝膠本體材料生產企業弘大科技董事長李光武介紹說,目前氣凝膠原材料的全球產能隻有6萬立方米/年,國產全套獨立自主設計研發的全過程國產化設備產能可達1萬立方米/年,投資卻隻有阿斯彭的二十分之一,已打破國外專利封鎖。

李光武對國外情報機構探聽氣凝膠下遊產業技術路線十分警惕。他說,即便申請的多國專利,但用其提升高性能改性銅等工業材料深加工產品時,仍面臨的因低端產能路徑依賴而出現的升級卡頓現象,“神奇材料”的巨大價值無法短期內獲得體現。

“有時技術路線就是一層窗戶紙,在我們已經掌握時,更需要快馬加鞭,才能占領下一輪新材料產業的市場,擺脫被卡脖子的宿命。”王強松頗感焦慮。

王璞委員認為,氣凝膠等新材料與石墨烯一樣,其優良特性不斷被發現,應受到充分重視,獲得從國傢戰略政策制定到研究體系設計,從資金精準投入到用戰略眼光扶持產業對接升級等系統支持。

導電材料簡介:

復旦大學修發賢團隊制作出最高導電率的外爾半金屬材料-砷化鈮納米帶

導電材料包含導電塑料和導電橡膠。是將樹脂和導電物質混合,用塑料的加工方式進行加工的功能型高分子材料。主要應用於電子、集成電路包裝、電磁波屏蔽等領域。導電橡膠是將玻璃鍍銀、鋁鍍銀、銀等導電顆粒均勻分佈在矽橡膠中,通過壓力使導電顆粒接觸,達到良好的導電。

相关新闻