美国新研制出的半导体GMO 是什么东西？ 氧化石墨烯？

一种全新的碳基材料——一氧化石墨烯（GMO）由美国威斯康辛大学米尔沃基分校的科学家在日前发现，据电磁流量计获悉，该半导体新材料由碳家族的神奇材料石墨烯合成，有助于碳取代硅，应用于电子设备中。该团队在研究一种混合纳米材料时，无心插柳得到了GMO。起初，他们的研究对象是一种由碳纳米管（将石墨烯卷成圆柱状得到）组成的、表面饰有氧化锡纳米粒子的混合纳米材料，陈俊鸿用这种混合材料制造出了高性能、高效率而廉价的传感器。为了更好地了解这种混合材料的性能，科学家们需要想方设法让石墨烯变身为其“堂兄弟”——能大规模廉价生产的绝缘体氧化石墨烯（GO）。GO由石墨烯不对齐地堆叠而组成。实验中，陈俊鸿和物理学教授马瑞加·加达得兹斯卡在真空中将GO加热以去掉氧。然而，GO层中的碳和氧原子没有被破坏而是变得排列整齐，变成了有序的、自然界并不存在的半导体GMO。该研究团队接下来需要了解什么触发了这种材料的重组以及什么环境会破坏GMO的形成。威斯康辛大学米尔沃基分校表面研究实验室的主任迈克尔·梅韦纳说：“还原反应会去除氧，但实际上，我们获得了更多氧，因此，我们需要了解的事情还有很多。”该研究团队的成员、力学工程教授陈俊鸿（音译）表示：“石墨烯研究领域的主要驱动力之一是使这种材料成为半导体，我们通过对石墨烯进行化学改性得到了新材料GMO。GMO展示出的特性表明，它比石墨烯更容易大规模生产。”因为GMO是单层形式，因此其或许可应用于与表面催化有关的产品中。他们正在探索其在锂离子电池阳极的用途，GMO有可能提升锂离子阳极的效能。研究人员埃里克·马特森说：“我们认为氧会离开，留下多层石墨烯，但结果却并非如此，让我们很吃惊。”据电磁流量计了解，石墨烯的导电、导热性能极强，远超硅和其他传统的半导体材料，而由硅制成的晶体管的大小正接近极限，科学家们认为，纳米尺度的碳材料可能是“救命稻草”，石墨烯未来有望取代硅成为电子元件材料。

近年来，摩尔定律的发展方向似乎遇到了一些瓶颈。按照此前的预期，集成电路的晶体管数量有望每隔一段时间翻番。但现实是，随着制程的不断演进，热管理已成为了芯片突破的一个重要挑战。 好消息是，弗吉尼亚大学工程学院和西北大学的研究人员们，刚刚打造了一种基于新型聚合物的电路绝缘材料，特点是能够在较小的空间内达成更高的功率。

COF-5 介电层阻抗测量（图自：Nature Materials）

据悉，由弗吉尼亚大学机械与航空工程学系教授 Patrick E. Hopkins 和西北大学化学系教授 Will Dichtel 带领的这支多学科研究小组，正在发明一种有望随着尺寸的不断缩小而保持芯片不发高烧的新型材料。

在今日发表于《自然材料》期刊的一篇文章中，他们隆重介绍了一种将电串扰做到最小化的电绝缘材料，且其具有超低的介电常数（ultra-low-k）。

该材料能够通过控制电流以消除信号串扰，使得电子产品能够进一步突破当前的性能极限。理想情况下，它还能够将电流引起的有害热量从电路中带走。

随着芯片制程不断变小和晶体管密度的不断提升，发热造成的困扰也在成倍增长。为此，Patrick E. Hopkins 教授决定寻找一种超低介电常数的新材料。

尽管此前已经相关领域 探索 了很长一段时间，但除非通过机械工程、化学、材料科学、电气工程等多学科的集思广益，这个目标还是很难单独达成的。

SCITechDaily 指出，Patrick E. Hopkins 教授是该校多功能材料集成计划的领导者之一，并且汇聚了来自多个工程学科的研究人员，以配制出这种具有优异特性的新材料。

研究一作 Ashutosh Giri 表示，化学团队意识到了材料的热特性，接着从更多的维度去 探索 ，而机械与材料团队可以从分子工程水平上去作深入了解。

Will Dichtel 教授补充道，他们正在打造只有一个原子那么厚（简称 2D）的聚合物薄板，并通过在特定的体系结构中对其进行分层，以控制它们的性能。

通过改进生产高质量 2D 聚合物薄膜的方法，研究团队正在积极应用这种新型材料，以满足在致密芯片上让晶体管规模更加密集的小型化要求。

展望未来，这项技术有望在半导体（芯片制造）行业发挥巨大的潜力，因其不仅具有超低介电常数、又具有超高的传热性能。

感兴趣的朋友，可移步至《Nature Materials》查看全文，原标题为《Thermally conductive ultra-low -k dielectric layers based on two-dimensional covalent organic frameworks》。

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