革新电化学：纳米多孔模型电极的创新

革新电化学：纳米多孔模型电极的创新研究人员开发了一种突破性的模型膜电极，其特点是在纳米多孔膜内排列有序的空心巨型碳纳米管(gCNT)阵列。这种新型电极是通过在阳极氧化铝(AAO)上开发一种均匀的碳涂层技术而构建的，从而产生具有不同尺寸纳米孔的垂直排列的gCNT。该模型旨在最大限度地减少接触电阻并增强对电化学行为的理解。关键的突破在于这种新型电极的构建。研究人员在铝基板上形成的阳极氧化铝(AAO)上开发了一种均匀的碳涂层技术，消除了阻挡层。由此产生的共形碳涂层显示垂直排列的gCNT，纳米孔的直径范围为10至200nm，长度为2μm至90μm，覆盖小的电解质分子到生物相关的大物质，如酶和外泌体。与传统的复合电极不同，这种独立的模型电极消除了颗粒间的接触，确保接触电阻最小——这对于解释相应的电化学行为至关重要。模型膜电极显示出对孔径的广泛可控性。图片来源：刘宏宇“这种模型电极的潜力是巨大的，”该研究的通讯作者之一潘正泽博士说。“通过使用具有广泛纳米孔尺寸范围的模型膜电极，我们可以深入了解多孔碳电极内发生的复杂电化学过程，以及它们与纳米孔尺寸的内在相关性。”此外，gCNT由低结晶堆叠石墨烯片组成，在低结晶碳壁内提供无与伦比的导电性。通过实验测量和内部程序升温解吸系统的利用，研究人员构建了低结晶碳壁的原子级结构模型，从而能够进行详细的理论模拟。为这项研究进行模拟部分的AlexAziz博士指出，“我们的高级模拟提供了一个独特的镜头来估计无定形碳内的电子跃迁，揭示了控制其电行为的复杂机制。”该项目由高级材料研究所(WPI-AIMR)设备/系统组首席研究员HirotomoNishihara教授领导。这些发现在材料科学的顶级期刊之一《高级功能材料》中有详细介绍。最终，这项研究代表了我们在理解非晶基多孔碳材料及其在探索各种电化学系统中的应用方面向前迈出了重要一步。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1363081.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1363081.htm

当丝绸遇上硅：研究人员看见生物材质混合晶体管的曙光

当丝绸遇上硅：研究人员看见生物材质混合晶体管的曙光微处理器规模的晶体管可以检测生物状态和环境并做出反应。您的手机微处理器芯片中可能装有超过150亿个微小晶体管。晶体管由硅、金和铜等金属以及绝缘体组成，它们共同接收电流并将其转换为1和0，从而传递信息并存储信息。晶体管材料是无机材料，基本上来自岩石和金属。但是，如果能让这些基本电子元件具有部分生物特性，能够直接对环境做出反应，并像活体组织一样发生变化呢？塔夫茨大学Silklab实验室的一个团队就是这样做的，他们用生物蚕丝代替绝缘材料制造出了晶体管。他们最近在科学杂志《先进材料》上报告了自己的研究成果。蚕丝纤维素--蚕丝纤维的结构蛋白可以精确地沉积在表面上，并很容易用其他化学和生物分子对其进行修饰，从而改变其特性。以这种方式功能化的蚕丝可以从人体或环境中拾取并检测多种成分。利用生物-硅混合电子技术制造的呼吸传感器，混合生物晶体管会根据环境中的气体和其他分子改变其电子行为。资料来源：塔夫茨大学FioOmenetto健康监测设备的进步该团队首次展示的原型设备使用混合晶体管制造了高灵敏度和超快呼吸传感器，可检测湿度变化。对丝层的进一步改良可使设备能够检测某些心血管和肺部疾病以及睡眠呼吸暂停，或捕捉呼吸中的二氧化碳水平及其他气体和分子，从而提供诊断信息。如果与血浆一起使用，它们有可能提供氧合和葡萄糖水平、循环抗体等信息。在开发混合晶体管之前，FrankC.Doble工程学教授FiorenzoOmenetto领导的Silklab实验室已经利用纤维素制造了生物活性油墨，用于可检测环境或身体变化的织物、可置于皮下或牙齿上监测健康和饮食的传感纹身，以及可打印在任何表面检测病原体（如导致COVID-19的冠状病毒）的传感器。晶体管是一个简单的电气开关，一根金属导线输入，另一根导线输出。导线之间是半导体材料，之所以称之为半导体材料，是因为除非经过哄骗，否则它无法导电。另一个被称为"栅极"的电子输入源被绝缘体隔开。栅极是开启和关闭晶体管的"钥匙"。当阈值电压（我们称之为"1"）在绝缘体上产生电场时，它就会触发导通状态，从而引发半导体中的电子运动，使电流开始流过导线。在生物混合晶体管中，蚕丝层被用作绝缘体，当它吸收水分时，就会像凝胶一样携带其中的离子（带电分子）。栅极通过重新排列丝胶中的离子来触发导通状态。通过改变蚕丝中的离子成分，晶体管的工作状态也会随之改变，从而使其能够被介于0和1之间的任何栅极值触发。计算与生物融合的未来Omenetto说："你可以想象，创建的电路可以利用数字计算中使用的离散二进制电平所无法表示的信息，但可以像模拟计算那样处理可变信息，而变化是由改变蚕丝绝缘体内部的成分引起的。这为在现代微处理器中将生物学引入计算提供了可能。当然，已知最强大的生物计算机是大脑，它通过不同程度的化学和电信号处理信息。"创建混合生物晶体管的技术挑战在于实现纳米级的丝绸处理，小到10纳米或人类头发直径的不到1/10000。工程学院博士后研究员BeomJoonKim说："在实现这一目标后，我们现在可以用与商业芯片制造相同的制造工艺来制造混合晶体管。这意味着我们可以用现在的能力制造出十亿个这样的晶体管"。让数十亿个晶体管节点通过丝绸中的生物过程重新配置连接，可以制造出像人工智能中使用的神经网络一样的微处理器。Omenetto说："展望未来，我们可以想象，集成电路可以进行自我训练，对环境信号做出反应，并直接在晶体管中记录记忆，而不是将其发送到单独的存储器中。"检测和响应更复杂生物状态的设备，以及大规模模拟和神经形态计算，都有待开发。Omenetto对未来的机遇持乐观态度。他说："这开辟了电子学与生物学界面的新思路，未来将有许多重要的基础发现和应用。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399639.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399639.htm

可重构晶体管可通过编程执行不同功能

可重构晶体管可通过编程执行不同功能研究人员解释说，射频晶体管是电子电路和芯片设计技术的重大突破。可编程晶体管使用的材料与半导体工业使用的材料相同，即硅和锗，它们可以显著改善功耗和能效。传统的晶体管开发包括化学掺杂，这是一种用外来原子"污染"半导体材料的技术。掺杂过程决定了电流的流动方向，一旦晶体管被制造出来就无法改变。射频晶体管用静电掺杂取代了化学掺杂，这是一种不会永久改变半导体材料化学结构的新方法。一旦电场取代了"复杂而昂贵"的化学掺杂过程，晶体管就可以动态地重新配置，以执行不同的逻辑运算。维也纳工业大学教授沃尔特-韦伯（WalterM.Weber）说，重配置工作在"基本开关单元"，而不是将信息路由到固定的功能单元。韦伯补充说，这种方法对于构建未来的可重构计算和人工智能应用"大有可为"。研究人员于2021年开发出了RFET基本技术，现在他们已经证明可重写晶体管可用于构建芯片中的所有基本逻辑电路。最近发表的研究报告展示了一种反相器、NAND/NOR和XOR/XNOR门，它们能够在运行时动态切换工作模式。静电掺杂所需的额外栅极需要占用空间，这意味着RFET并不像标准CMOS晶体管那么小。新的可编程晶体管不可能很快取代固定晶体管，但它们可以共存，并为某些灵活性至关重要的计算应用提供动力。研究人员解释说，RFET的可重构特性可以减少逻辑电路所需的晶体管总数。更少的晶体管意味着制造芯片所需的空间更小，功耗也会降低。通过切换单个晶体管或整个电路的极性，单个电路可以提供多种功能。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425449.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425449.htm

西电郝跃院士在超陡垂直晶体管器件研究方面取得进展

西电郝跃院士在超陡垂直晶体管器件研究方面取得进展该工作报道一种新型晶体管器件技术，将电阻阈值开关与垂直晶体管进行集成，实现了兼具超陡亚阈值摆幅与高集成密度潜力的垂直沟道晶体管，电流开关比超过8个数量级且室温亚60mV/dec电流范围超过6个数量级，为后摩尔时代高性能晶体管技术提供了一种新的器件方案。随着集成电路制造工艺下探亚5纳米技术节点，传统的晶体管尺寸微缩路线无法像过去一样使能“器件-芯片”性能提升与成本控制。在此背景下，学术界与工业界近年来提出多种创新器件技术，以期克服常规MOSFET的技术局限。其中，三星、IBM、欧洲微电子中心（IMEC）等国际研发机构推出了垂直输运场效应晶体管（vertical-transportfield-effecttransistor,VTFET）器件技术。通过将电流方向从传统MOSFET的平面方向转换为垂直方向，该器件结构有望在芯片上垂直构造晶体管，从而大幅降低器件占有空间，提高集成密度。受此启发，西电研究团队采用超薄二维异质结构造VTFET半导体沟道并与电阻阈值开关（TS）垂直集成，实现超陡垂直晶体管（TS-VTFET）。这一器件技术借助超薄二维半导体出色的静电调控，大幅提升器件栅控能力；同时，借助电阻阈值开关的电压控制“绝缘-导电”相变特性，该器件的室温亚阈值摆幅达到1.52mV/dec，远低于常规MOSFET室温亚阈值摆幅高于60mV/dec的理论极限。此外，在发表的概念验证工作中，研究团队制备的超陡垂直晶体管表现出强大性能，包括电流开关比高于8个数量级、亚60mV/dec电流区间超过6个数量级、漏电流小于10fA等，为后摩尔时代高性能低功耗晶体管技术提供了一种新的方案。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1419269.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1419269.htm

首个工作的木质晶体管标志着电子元件向可生物降解技术迈出了一步

首个工作的木质晶体管标志着电子元件向可生物降解技术迈出了一步活生生的树木可以成为够用的电导体，这要归功于它们的含水量--尤其是当大量的电力通过它们被输送时，如雷击时。但一般来说，用于建筑、家具和其他人类产品的枯木的导电能力非常低。但是最近的研究已经找到了调整这种材料的方法，使其更适合于电子设备，如柔性电池、可生物降解的计算机芯片、可打印的导电油墨，以及石墨烯电路的基底。现在，林雪平大学和KTH皇家理工学院的科学家已经开发出世界上第一个功能性木质晶体管。他们从轻木开始，选择其无纹理和均匀的结构，并去除木质素--使木材具有强度的刚性聚合物。这留下了具有中空通道的长纤维素纤维，然后用一种叫做PEDOT:PSS的导电聚合物填充。最终的结果是一个可以像普通晶体管一样工作的木制晶体管。该元件可以调节通过它的电流，在选定的输出水平上提供稳定的电子流，并开启和关闭电源。尽管如此，它并不是有史以来最好的晶体管，弱势非常明显：例如，它需要大约一秒钟的时间来关闭，而最多需要五秒钟来打开。林雪平大学新的木制晶体管的组件ThorBalkhed该研究的通讯作者伊萨克-恩奎斯特（IsakEngquist）说："是的，木制晶体管缓慢而笨重，但它确实有效，并且具有巨大的发展潜力。我们在创造木质晶体管时并没有考虑到任何具体的应用。我们这样做是因为我们可以。这是基础研究，表明它是可能的，我们希望它将激发进一步的研究，从而带来未来的应用。"该团队的木质晶体管有一些优势，可能有助于它找到最终的应用。可生物降解可以帮助减少电子垃圾问题，而且大的导电通道可以让它比其他有机晶体管处理更多的电流。它也可以被集成到活体植物的电子电路中。该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357751.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357751.htm

剑桥大学研究人员的新发现可能改变电化学设备的未来

剑桥大学研究人员的新发现可能改变电化学设备的未来艺术家绘制的水中电子聚合物图--同时传导离子电荷和电子电荷。资料来源：ScottT.Keene在快速发展的生物电子学领域，被称为共轭聚合物的软导电材料被用于开发可在传统临床环境之外使用的医疗设备。例如，这类材料可用于制造远程监测病人健康状况的可穿戴传感器，或积极治疗疾病的植入式设备。在这类设备中使用共轭聚合物电极的最大好处是，它们能够将负责大脑和身体电信号的离子与电子（电子设备中的电信号载体）无缝耦合。这种协同作用改善了大脑与医疗设备之间的连接，有效地转换了这两种信号。在发表于《自然-材料》（NatureMaterials）上的这项有关共轭聚合物电极的最新研究中，研究人员报告了一项意想不到的发现。人们通常认为，离子的运动是充电过程中最慢的部分，因为离子比电子重。然而，这项研究发现，在共轭聚合物电极中，"空穴"（供电子移动的空隙）的移动可能是材料充电速度的限制因素。研究人员使用专门的显微镜对充电过程进行了实时密切观察，发现当充电水平较低时，空穴的移动效率很低，导致充电过程比预期的慢得多。换句话说，与标准知识相反，在这种特殊材料中，离子的传导速度比电子快。这一意外发现为我们深入了解影响充电速度的因素提供了宝贵的线索。令人兴奋的是，研究小组还确定，通过操纵材料的微观结构，可以调节充电过程中空穴移动的速度。这种新发现的控制和微调材料结构的能力可以让科学家们设计出性能更好的共轭聚合物，从而实现更快、更高效的充电过程。第一作者、剑桥大学卡文迪什实验室和电气工程部的斯科特-基恩（ScottKeene）说："我们的发现挑战了人们对电化学设备充电过程的传统认识。在低水平充电过程中，作为电子移动空隙的空穴的移动效率会出奇地低，从而导致意想不到的减速"。这些发现影响深远，为未来生物电子学、能量存储和类脑计算等应用领域的电化学设备研发提供了一条大有可为的途径。这项研究的资深作者、工程系电子工程分部菲利普亲王技术教授GeorgeMalliaras说："这项工作阐明了共轭聚合物电化学掺杂过程中发生的基本步骤，并强调了聚合物带状结构的作用，从而解决了有机电子学中一个长期存在的问题。""随着对充电过程有了更深入的了解，我们现在可以探索创造能与人体无缝结合的尖端医疗设备、提供实时健康监测的可穿戴技术以及效率更高的新型能源存储解决方案的新可能性，"共同第一作者、剑桥大学卡文迪什实验室的AkshayRao教授总结道。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379111.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379111.htm