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硅的未来岌岌可危?未来计算机或迎来钻石芯

2021-04-23| 发布者: ag国际馆会员登录平台登入| 查看: 682| 评论: 0|来自: 解放军报

摘要: 应变金刚石电路概念图。  “钻石恒久远,一颗永流传。”钻石,也叫金刚石。长久以来,钻石以其具备稀少、美丽、耐久的品质被人们视为珍宝。  近期的一项研究成果表明,钻石不仅仅是稀世珍宝,更具有科技应用潜力 ...

应变金刚石电路概念图。

  “钻石恒久远,一颗永流传。”钻石,也叫金刚石。长久以来,钻石以其具备稀少、美丽、耐久的品质被人们视为珍宝。

  近期的一项研究成果表明,钻石不仅仅是稀世珍宝,更具有科技应用潜力——它有望成为下一代电子元件的制备材料,用于未来量子计算机的芯片制作。

  很长一段时间里,硅一直是第三代半导体最重要的原材料。电脑、手机等电子设备内部,都依赖于半导体芯片和硅基集成电路。根据摩尔定律,一英寸计算机芯片上的晶体管数量每年翻一番,成本减半。这意味着积压在硅芯片上的微型晶体管,每年的体积都缩小一半。随着时间推移和半导体行业发展,硅的未来岌岌可危。

  工程学家一直希望找到一种优于硅的材料,以制备出更小、运行更快且有效性更高的芯片。这时,金刚石以其独特的物理性质进入了研究者视野。

  金刚石具有高度导电和导热性,是制备高频率、大功率电子元器件的理想候选材料。然而,金刚石同时也是个“硬汉”:它具有极高的硬度和脆性,在制备过程中经常会损害到材料本身,或者难以使金刚石达到电子元器件的性能指标。由于没有发现它的运用可行性,把它应用于电子行业一度被工程学家比作“攀登珠穆朗玛峰”。

  在研究过程中,研究人员利用特殊办法,制备出直径只有人类头发百分之一的微型单晶金刚石。在室温下,该材料可达到最大均匀拉伸应变9.7%,且在解除拉伸之后能恢复原状。在拉伸应变增加过程中,金刚石带隙会随之减少,拉伸到达9%以上就会由“间接带隙”变为“直接带隙”,实现电子跃迁并释放光子。这一新特性与现有半导体元器件类似,有应用于光电元件、甚至量子元件的潜力。

  研究人员认为,他们的研究结果将推进金刚石元件“走下珠穆朗玛峰”。未来的量子计算机或可凭借金刚石制成的芯片,大幅提升计算机热导率,让计算机在接近绝对零度下也能保持顺畅运行。(朱文疆 李 超 李 京)

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