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电子工程师视角:电子产品的下一个趋势-工程师兼职

发布时间:2017/12/29 13:10:20

电子工程师视角:电子产品的下一个趋势


电子产品的时代始于1947年晶体管和硅基半导体技术的发明。70年过去了,我们被电子设备包围着,尽管我们试图否认它,但我们还是在日常生活中依赖它们。

在过去的几十年里,硅基器件的性能得到了快速的提高,主要是由于新型的加工和模式技术,而纳米技术使微型化和降低成本成为可能。
多年来,硅一直是电子产品的唯一选择。但近年来材料工程和纳米技术的发展为电子产品引入了新的途径。尽管传统的硅电子产品仍将是主要焦点,但替代趋势正在出现。这些包括:

二维电子

对该领域的兴趣始于石墨烯的发现,石墨烯是碳的一种结构变体。石墨烯中的碳原子形成了六边形二维晶格,由于其高电导率、机械弹性和极高的抗拉强度,这一原子厚层引起了人们的注意。石墨烯是经过测试的最坚固的材料。
2010年,瑞典皇家科学院决定将诺贝尔物理学奖授予Andre Geim和Konstantin Novoselov,以表彰他们在石墨烯研究领域的“开创性实验”。
石墨烯可能已经在电子领域开始了这一2D革命,但是硅、磷和锡,硅、磷和锡的原子厚的同素异体物质,分别具有类似的蜂窝状结构,具有不同的性质,导致了不同的应用。

这四家公司都有可能改变我们所知道的电子产品,允许小型化、高性能和降低成本。包括三星(Samsung)和苹果(Apple)在内的全球数家公司都在开发基于石墨烯的应用程序。


有机电子
导电聚合物的发展及其应用导致了2000年的另一项诺贝尔奖,这一次是在化学领域。Alan j . Heeger,Alan g . MacDiarmid和Hideki Shirakawa证明了塑料可以导电。
与传统的无机导体和半导体不同,有机电子材料是由有机(碳基)分子或用化学合成的聚合物构成的。有机电子不仅限于导电聚合物,还包括其他可能用于电子产品的有机材料。其中包括各种染料、


有机电荷转移复合物和许多其他有机分子。
在性能和工业发展方面,有机分子和聚合物还不能与无机分子竞争。然而,与传统的电子材料相比,有机电子具有一些优势。低材料和生产成本,机械灵活性,合成工艺的适应性和生物相容性使有机电子成为某些应用的理想选择。
商用高科技产品依赖于有机半导体,如曲面电视屏幕、智能手机、彩色光源和便携式太阳能电池,展示了有机电子工业的成熟。事实上,包括LG电子(LG Electronics)和三星(Samsung)在内的几家高科技公司已经投资于廉价和高性能的有机电子设备。预计未来几年有机电子市场将会快速增长。


记忆电阻器
1971年,Leon Chua从对称论证中推断,应该有第四种基本的电子电路元件(除了电阻器、电容和电感器之外),他称其为记忆电阻(memristor),是单词记忆和电阻的合成词。尽管蔡美儿展示了记忆电阻器有许多有趣且有价值的特性,但直到2007年,来自惠普实验室的一组研究人员发现,在一定条件下,纳米尺度的系统可以存在记忆效应。许多研究人员相信,记忆电阻器可以结束我们所熟知的电子设备,并开始一个新的“电子设备”时代。
通常可用的晶体管功能是利用电子的流动,而记忆体则是将电子与离子或带电原子结合在一起。在晶体管中,一旦电子的流动被中断(例如切断电源),所有的信息都丢失了。记忆电阻器“记忆”并储存了流经它们的电荷量的信息,即使电源关闭了。

记忆电阻器的发现为更好的信息存储铺平了道路,使新型的记忆装置更快、更安全、更高效。即使电源关闭,也不会有任何信息丢失。基于记忆存储器的电路将允许我们立即开关电脑,并立即开始工作。
在过去的几年里,惠普一直致力于一种新型的基于记忆技术的计算机。惠普计划在2020年前推出该产品。


自旋电子学
自旋电子学是一个合成词,意思是“自旋运输电子”,它是一种基本性质的粒子,被称为“电子自旋”,用于信息处理。电子自旋可以被检测为一个带有两个方向的磁场:上、下。这为传统的低逻辑值和高逻辑值提供了额外的两个二进制状态,这些值由简单的电流表示。在电子的电荷和自旋中携带信息可能会为设备提供更多样化的功能。
到目前为止,自旋电子技术已经在信息存储设备中进行了测试,如硬盘和基于晶体的晶体管。自旋电子学技术也显示了对数字电子产品的普遍承诺。操作4个,而不是只有两个,定义了逻辑状态的能力可能会导致更大的信息处理能力,更高的数据传输速度,以及更高的信息存储能力。
据预计,与硅片相比,自旋运输电子设备将会更小、更通用、更健壮。到目前为止,这项技术还处于早期发展阶段,无论研究如何深入,我们都要等上几年才能看到第一个商业化的基于芯片的电子芯片。


分子电子学
电路的最终目标是小型化。也被称为单分子电子学,这是纳米技术的一个分支,它使用单个分子或单个分子的集合作为电子构建块。
分子电子和上面描述的有机电子有很多共同点,这两个领域在某些方面相互重叠。为了澄清,有机电子是指大量的应用,而分子尺度电子学是指纳米级的单分子应用。

传统的电子产品传统上是由散装材料制成的。然而,电子器件小型化的趋势迫使电子元件的特征尺寸相应地缩小。在单分子电子学中,大量的材料被单个分子取代。电子元件的尺寸越小,消耗的电能就越少,同时增加了设备的灵敏度(有时是性能)。一些分子系统的另一个优点是它们倾向于自组装成功能块。自组装是一种现象,在这种现象中,由于相互作用或环境因素,系统的组成部分自发地聚集在一起,形成一个更大的功能单元。

几个分子电子解决方案已经开发,包括分子导线,单分子晶体管和整流器。然而,分子电子学仍处于早期研究阶段,这些装置都没有离开实验室。


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