南京大学研发不怕热的电子元件,从此手机不发烫?

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在我们的日常生活中,小伙伴们或许会遇到手机电量充足却自动关机,打电脑游戏的关键时刻电脑却突然关机或蓝屏的情况,那是因为他们“太热”啦!

我们都知道手机和电脑等电子产品里有大量的运算和存储元件,一般来说,这些电子元件的工作温度均不能超过125℃,一旦超过了这个温度这些元件就会出现计算结果出错和数据丢失的状况。因此为了避免这种情况发生,电子工程师们都会在手机和电脑里设置一个高温保护机制:一旦温度过高就自动切断电源。手机和电脑中的电子元件在工作时会产生额外的热量,尤其是在玩游戏时,电子元件的高负荷运转会导致其温度迅速升高,最终引发高温保护。

事实上,电子元件“怕热”的问题一直都在困扰着电子工程师们。例如,在航天航空、军事、地质勘探和石油天然气钻井等行业中,电子元件需要面临更加极端的温度环境,它们被要求能够在300℃以上的高温下稳定工作。由于传统的电子元件都无法在这么高的温度下工作,工程师们往往依赖于冷却系统来为他们进行降温。这样虽然能够保证电子元件的正常工作,额外配置的冷却系统会很大程度上增加成本和能耗,降低可靠性。因此,科学家和工程师们都在努力地研究“不怕热”的电子元件。

近日,一支由南京大学缪峰教授带领的研究团队研发出了一种“不怕热”的电子元件,并在《自然·电子学》(Nature Electronics)杂志上发表了他们的工作。

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缪峰的研究团队研究的这类电子元件叫做忆阻器(记忆电阻),顾名思义,它是一种基于“记忆”外加电压或电流历史而动态改变其内部电阻状态的电阻开关,是一种运算和存储元件。由于拥有超小的尺寸,极快的擦写速度,超高的擦写寿命,多阻态开关特性和良好的CMOS兼容性,忆阻器被业内视为传统运算和存储元件的潜在代替者和可应用在未来人工智能(神经形态计算)技术的重要候选者。

缪峰教授和同事们选取了两种二维原子晶体材料:硫氧化钼(氧化二硫化钼)和石墨烯分别作为忆阻器的介质层和电极材料,制备了三明治结构的范德华异质结。测试结果显示这种基于全二维材料的异质结能够实现媲美传统忆阻器的稳定开关:可擦写次数超过千万次(已经超过了我们平时用的U盘了哦(??????)??),擦写速度小于100纳秒,并且拥有很好的非挥发性。团队发现该结构的忆阻器能够在高达340℃的温度下稳定工作并且保持良好的擦写性能。可以想象,如果我们把它应用于手机和电脑等电子产品中,用户将不用担心温度过高的问题;应用于极端环境的行业中,也能够让工程器械摆脱对冷却系统的依赖。

团队和南京大学现代工程与应用科学学院的王鹏教授课题组合作,还利用透射电子显微镜进行了深入研究,发现该忆阻器的耐热性来源于硫氧化钼晶体超高的热稳定性,并进一步揭示了这类器件中基于氧离子迁移的工作机制。研究结果显示,这类忆阻器在擦写过程中一直被具有超高热稳定性的单晶石墨烯和层状硫氧化钼很好地保护着,保证了高温擦写过程中的稳定性。

这项研究工作不仅展示了二维层状材料异质结构在忆阻器领域中的巨大应用前景,对未来极端环境下电子元件的设计与研究有着重要的指导意义;同时也指出,因为二维材料异质结构可以结合不同二维材料的优异性质,也给人们提供了一种解决其它领域电子器件技术挑战的可能的通用途径。

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