标签: 碳纳米管

科学家们最近发现，实验室中专门生长出的 碳纳米管 能够大幅增强拉曼光谱仪(Raman spectroscope)的 灵敏度 ，从而使矩阵传感器轨迹上的热能连有害物质的单分子都能检测出来。   根据苏黎世联邦理工学院(ETH)与加州罗伦斯利物摩国家实验室(LLNL)的科学家表示，通过生长碳纳米管使拉曼光谱仪提高约10万倍的灵敏度，将可达到让低成本可携式 电子鼻 (E-nose)侦测器实现单分子侦测的目标。 ETH教授Hyung Gyu Park与LLNL研究科学家Tiziana Bond等人共同开发这项称为表面增强拉曼光谱(SERS)的技术，并宣称已经发现了一种可为电子鼻等应用提高SERS的易于制造方式。 “相较于许多现有的传感器，我们的SERS传感器大幅提高了侦测灵敏度达10,000～100,000倍之多，”Park指出，“我们的研究结果重点或突破之处在于实现了一种简便且价格低廉的方式来制造这种超高灵敏度传感器──它十分可靠且能重复化学组成检测。” 新式高灵敏度传感器采用碳纳米管束，可让拉曼光谱仪散射光线，从而实现超灵敏的化学检测。（来源：H.G. Park / ETH Zurich） 拉曼光谱仪较传统检测方法更具有许多优点。其工作原理是透过雷射或单一频率的光源照亮分子，然后观察所得到的散射光源──其频率模式可用作为指纹辨识别物质。为了确定仅有的个别分子，这些频率必须加以大幅地放大，通常会将侦测器表面置于非常接近样本之处，因此将它称为“表面增强”拉曼光谱仪。 研究人员们还发现一种更可靠的新方法，甚至可检测到最微弱的拉曼散射光源信号。他们发现，紧密丛生的碳纳米管束可以用来为电子鼻建置“热点”，使灵敏度大大提高。 该技术透过弯曲碳纳米管束的两端，使拉曼光源可接触到混杂于碳纳米管之间的任何分子。为了更进一步增强效果，使检测结果更可靠，该团队首先用二氧化铪涂覆在纳米管的一端，然后用金在3D结构下创造出具有数以千计的高密度纳米尺寸热点。 Bond说，这种方式不但能够大幅提高其灵敏度，同时使得检测结果更可靠，也更具有可重复性。 接下来，研究人员将开始展开优化过程，以及致力于让可携设备能现场使用电子鼻，从环境污染物、药物残留与化学武器中检测出微量的物质。 本文授权翻译自EE TIMES，谢绝转载 原文链接： http://www.eet-china.com/ART_8800689578_480501_NT_0da7c04d.HTM  

在迈向全新的 锂离子电池 设计道路上，利用 石墨烯材料 正成为一项新的选择。例如，SiNode Systems利用石墨烯材料打造出高容量、高性能锂离子电池的阳极部份。最近，美国莱斯大学(Rice University)的研究人员们也利用石墨烯进行实验，透过 石墨烯纳米 带(GNR)的形式来实现类似的效应。   莱斯大学研究人员的团队──包括化学、工程与电脑科学教授James Tour，以及博士后研究Jian Lin──成功地经由GNR与氧化锡材料创造出经概念验证的电池阳极，可提供较一般电池阳极更高容量。一般锂离子电池阳极或电池中储存锂离子的部份主要是由氧化钖与石墨烯制造的。 莱斯大学的研究人员们开发出一种能够拉开碳纳米管并使其成为石墨烯带(GNR)的新技术，而为锂离子电池创造出更高容量的阳极。(来源：莱斯大学) 研究人员们表示，经过50次的充放电周期，研究团队制作的测试阳极仍保有较现有锂离子电池阳极中石墨烯更高两倍的容量。这大幅延长了电池的使用寿命，并为各种电子设备与 电动汽车 中采用同类型电池设计的多种商业应用而铺路。 莱斯大学的研究团队们表示，他们早在2009年就开发出可透过“拉开”碳纳米管而制作出GNR的新技术，最近才找到如何大规模制造GNR而使锂离子电池更具效率的方法。Jian Lin表示：“高导电的GNR具有高深宽比，能够提高氧化钖纳米结构的锂离子储存能力。” James Tour进一步解释，Jian Lin所谓的这种“高深宽比”改善了电池活性材料的导电性能，从而提高电池电荷离子的流动。“透过电池活性材料的特性，石墨烯纳米带实现了高导电性──这是没法经由薄层石墨烯而实现的。由于采用了石墨烯纳米带，就不至于像薄层石墨烯一样在充放电期间混淆锂离子的流动进出。” 相较于目前的锂离子电池，这种方法不仅延长电池寿命，还提高了电池储存容量或总输出功率，James Tour强调。 事实上，针对必须不断充电而且会随着时间流逝而降解的锂离子电池，科学家们正积极寻找各种能延长电池寿命的方式。Jian Lin强调，在电池设计中加进新材料是一个重要的方法，这也是他们目前正在尝试的，“最近锂离子电池的研究开始蓬勃发展，寻找各种不同的材料正成为学术研究和产业的主要关注重点。” 虽然采用GNR的电池生产成本低廉，但如果要成为下一代锂离子电池，还必须找到一种能够大规模生产以降低成本的方式。因此，莱斯大学研究团队持续透过改变金属氧化物纳米结构，以扩展对于GNR复合材料的各种研究，同时，这也将进一步提升了锂离子电池的阳极和阴极性能。 至于这种电池何时能准备好商用化上市，目前还没有具体的时间表，但Jian Lin认为，针对新式锂离子电池设计进行长期的投资，总有一天将使社会大众受益。   本文授权翻译自EE TIMES，谢绝转载   原文链接： http://www.eet-china.com/ART_8800686703_628868_NT_c8d5d9b3.HTM

材料科学的进步与发展总是走在最前沿，每一次突破都让人激动不已。硅芯片的极限也越来越迫近，这进一步推动了硅替代材料的渴求。科学家们不断探寻，亟待技术突破。   　　导语：根据摩尔定律，集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍， 硅芯片迟早有一天会因为尺寸无法继续缩小而走向终结 。哪种材料能替代硅芯片呢？斯坦福的研究团队的最新研究成果表明， 碳纳米管或许会成为替代材料 ，该技术可将芯片缩小至 5纳米 的极限尺寸。 　　以下是文章全文： 　　在接下来十年左右的时间里，在电脑硅芯片上蚀刻电路预计将变得越来越艰难，因为芯片的物理尺寸难以无限变小，这促使人们寻找替代材料来取代硅芯片的地位。 　　哪种材料能替代硅芯片呢？部分研究者对碳纳米管寄予厚望。本周一，斯坦福大学的一个研究团队成功地演示了一个简单的微电子电路，该电路是由44个完全以丝状纤维制成的晶体管组成。 　　来自斯坦福的研究团队在旧金山举行的一次科技会议上展示了这个电路。他们展示的技术进步是迄今最能证明当硅芯片尺寸达到物理极限时，碳纳米管可能会成为一种未来的替代材料。 　　在各大科技厂商中，IBM是建议将碳纳米管应用于微电子领域的强力支持者之一，该公司已经明确表示希望碳纳米管技术将在接下来的十年内准备就绪，届时预计半导体芯片的尺寸将缩小至5纳米的极限尺寸。但截至目前，各大学和芯片厂商的研究人员还只能成功地将碳纳米管用于单独器件的制作，如制作晶体管等。 　　斯坦福大学所展示的这一技术进步则标志着完整的工作电路已被创造出来，表明这种材料可能真的会达到人们的期望。 　　硅是一种普遍存在的自然元素，既可当做导体，也可当做绝缘体。硅芯片的生命周期相较计算机工程师原本的设想已经长了数十年，这是因为虽然晶体管的尺寸在一代代变小，但人们总有相应的先进工艺在上面蚀刻电路。在计算机芯片行业中，被用于蚀刻电路的硅芯片已经变得比光的波长还要细小，而且工程师和科学家们相信，硅芯片的尺寸还有继续缩小的空间，至少目前的情况是这样的。 　　但是，硅材料的物理尺寸极限终有一天会到来，从而终结由摩尔定律所定义的微电子时代。摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)于1965年提出来的，它指出：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数量大约每隔18个月便会翻一番，性能也将提升一倍。 　　斯坦福大学所取得的这一技术进步看起来支撑了这样一种信念：无论硅材料时代何时终结，尺寸不断缩小的工艺进程仍能继续下去，设计师在长远的未来仍能继续提高电脑芯片的性能。 　　在本周于旧金山举行的的年度”国际固态电路大会“(International Solid-State Circuits Conference)上，斯坦福大学的研究生马克思·苏拉客(Max Shulaker)走上一个临时搭建的讲台做了简单的演示，他选择了一只人手大小的木头手，连接上一个简单的发动机和齿轮装置，打开开关，然后这只木头手就充满活力地摇摆起来。 　　演示虽然简单，但该团队表示，他们的目标是要制造一个使用碳纳米管构成的完整的微处理器，以证明这种材料的潜力。除了尺寸很小以外，碳纳米管相较现在的硅材料还具备低能耗和切换速度快的优点。 　　斯坦福大学电子工程学副教授、Robust Systems小组负责人萨布哈斯·米特拉(Subhasish Mitra)表示：“(采用该材料)系统层面的省电至少可提高一个数量级。”他指出，这为未来个人移动设备的电池续航能力提供了巨大的提升空间。 　　其它新材料和多种硅基晶体管升级技术也正处于研究过程中。例如，英特尔去年开始使用一种名为FinFET的3D晶体管，该晶体管可让芯片的表面能够容纳更多的晶体管，可以使更小尺寸的硅片具备等同和更好的性能。 　　斯坦福大学电子工程学教授菲利普·王(H.-S. Philip Wong)称：“我不是说没有其它材料可以使用。问题仅在于当尺寸缩小到非常细小的程度时，哪种材料会胜出。” 　　研究人员所面临的挑战是碳纳米管互相交织的微粒会组成一个庞大的“毛球”。不过，通过化学方法在石英表面进行培育，研究人员能够将其进行密切、整齐地排列，然后转到一个硅晶片上，再使用传统的光刻技术来制作工作电路。 　　这样处理后，虽然只有很少一部分的线路会出现排列不整齐的现象，但想要制造可靠的电路，研究人员还一直面临技术障碍。斯坦福大学的这个研究组表示，他们拥有完善的电路技术来解决这种线路排列不整齐的难题。 　　米特拉指出：“从幻灯片上看，99.5%的线路看起来都非常好；但当微粒数量达到100亿级别时，0.5%也是一个非常庞大的数字，足以让一切都变得乱七八糟。” 　　根据《科学》杂志今年2月1日刊登的一篇文章，除了微电子领域外，碳纳米管还在许多其它商业领域呈现出潜在应用前景，例如可充电电池、自行车车架、船体、太阳能电池和滤水器等。   http://tech.sina.com.cn/it/2013-02-21/14508078033.shtml  

碳纳米管的特性使得它们成为一种出色的电子元件材料 。图6示出了FET结构所使用的碳纳米管 。为了发现器件的I－V特性曲线 ，建议采用有弱电流测量 功能的仪器。一种可用的典型仪器是信号源－测量一体化单元（SMU），它可以输出电压或电流信号，并分别对电流或者电压响应进行测量。让一个SMU对栅电压进行扫描，并用另一个SMU来控制源－漏电压，则可以测量出源－漏电流。请注意待测电流大小处于nA范围。对于大多数测量仪器而言，这往往是一个轻而易举能实现的任务，而且噪声也不成其为问题，但正如前面所讨论的那样，存在一个潜在的误差源。   图6 ：碳纳米管的特性使得它们成为一种出色的电子元件材料，正如图中所示的FET结构 。为了获取器件的I－V特性曲线 ，建议采用具有低电流测量功能的仪器。   电子元件的自组装代表了电子制造领域的一个新的范式，导致了分子二极管 、开关或者存储器的研发。这些器件使用数百nA的电流，其测量是可行的，但是在某些特定情况下，待测电流处于数百pA的范围，这就要求测量工作更为谨慎。   单电子晶体管是一种新型的开关器件，它利用受控的电子隧穿效应来放大电流。其中一个金属电极上的电子行进到另一个电极上的唯一途径就是通过绝缘体的隧穿电流。因为隧穿是一个分立的过程，穿过隧道结的电荷是e（单个电子的电荷）的倍数。当栅极电压设置为零时，只会出现很小的隧穿。与隧穿相反的效应被称为库仑阻塞。栅电容上的电荷可以设置为电子电荷的非整数倍，因为在金属中输运的电荷是连续的。这种由电压控制的电流行为使得SET的工作非常类似于一个FET，不过是在小得多的尺度上实现的。   由于SET的行为特性的缘故，而且也因为仅涉及单个电子的运动，电流的测量值很小。随着栅电压从至少－5mV扫描至+5mV，电流水平上出现了截然分立的步进（库仑台阶）。这些电流的测量值都处在pA的范围上。   显然，该应用需要对弱电流的敏感能力，而且甚至需要很低的、具有mV分辨率的电压信号输出能力。当栅压以极低的电压步进在一定的范围上（很容易达到－100mV～+100mV）扫描，这一要求就意味着需要提供很大的数据存储容量，以便能捕捉到I－V特性曲线上的多个点。20，000个点以上的存储要求并非不可能。   电子元件材料：http://www.keithley.com.cn/re/sdl 碳纳米管：http://www.keithley.com.cn/re I-V特性曲线：http://www.keithley.com.cn/re/cel 弱电流测量：http://www.keithley.com.cn/llm/a/6.html FET结构：http://www.keithley.com.cn/semi/4200scs/iv I-V特性曲线：http://www.keithley.com.cn/products/localizedproducts/currentvoltage/2602 分子二级管：http://www.keithley.com.cn/semi/resolution

随着纳米技术日新月异的发展，研究已深入到原子挨原子的分子级，构造具有全新特性的新结构。特别地，纳米电子领域的发展十分迅速，其潜在影响涉及非常宽的行业领域。目前的纳米电子研究的内容主要是如何开发利用碳纳米管、半导体纳米线、分子有机电子和单电子器件。 不过，由于多方面的原因，这些微小器件无法采用标准的测试技术进行测试。其中一个主要原因在于这类器件的物理尺寸。某些新型“超CMOS”器件的纳米级尺寸很小，很容易受到测量过程使用的甚至很小电流的损坏。此外，传统直流测试技术也不总是能够揭示器件实际工作的情况。