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国际前沿周报第14期

2990    2022-12-30    发布者:中国测试杂志社    来源:中国测试杂志社

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本期导读:

1、科学家通过一种新方法测量分子取向

2、利用石墨烯晶体管成功实现快速、高灵敏度太赫兹探测


科学家通过一种新方法测量分子取向

为了推动材料科学的发展,NIST的研究人员开发了一种新的方法来测量由聚合物组成的材料中分子的三维取向。在该图中,针状形式代表聚合物链,颜色表示偏离垂直平面的平均角度,针头的大小代表该平均值周围的取向分布。该图中的图像显示了原始数据,这是由一种称为宽带相干反斯托克斯拉曼散射(BCARS)的方法产生的。图片来源:YJ Lee/NIST


在一些材料中,分子以一定规则的、重复的模式排列。在其他情况下,它们都指向随机的方向。但在许多用于医药、计算机芯片制造和其他行业的先进材料中,分子以复杂的模式排列,这决定了材料的特性。

科学家们还没有很好的方法在微观尺度上测量分子的三维取向,这让他们对一些材料的行为方式一无所知。现在,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员已经测量了塑料分子结构块(称为聚合物)的三维方向,观察到尺寸小至400纳米(十亿分之一米)的细节。

发表在Journal of the American Chemical Society上的测量结果显示,聚合物链以复杂和意想不到的方式扭曲和波动。新的测量是使用一种称为宽带相干反斯托克斯拉曼散射(BCARS)的技术的升级版进行的。

BCARS 的工作原理是将激光束照射到材料上,使其分子振动并发出相应的光。这项技术大约十年前由NIST开发,用于识别材料的成分。为了测量分子方向,NIST研究化学家Young Jong Lee添加了一个用于控制激光偏振的系统和用于解释BCARS信号的新数学方法。

具体来说,这项新技术测量400纳米范围内聚合物链的平均取向,以及该平均值周围的取向分布。这些测量将使科学家能够确定产生他们所寻求的机械、光学和电学特性的分子取向模式。

这将有助于研究人员优化动脉支架和人工膝盖等医疗设备中使用的材料。这些设备表面分子的方向有助于确定它们与肌肉、骨骼和其他组织的结合程度。

它还可以帮助加工制造,即通过3D打印一层一层地制造产品——这种技术正在改变电子、汽车、航空航天和其他行业。3D打印经常使用聚合物,研究人员正在不断寻求新的具有更好强度、柔韧性、耐热性和其他特性的聚合物。

这种新的测量技术也可用于优化半导体制造中使用的超薄聚合物薄膜。随着计算机芯片中的组件变得越来越小——正如摩尔定律预测的那样——这些薄膜中的分子取向变得越来越重要。


来源:NIST


利用石墨烯晶体管成功实现快速、高灵敏度太赫兹探测

在电磁波谱上,从无线电波到X射线和伽马射线,存在一个传统电子设备几乎无法探测的死区。这个区域被太赫兹波占据。

太赫兹波的波长大约为10微米到1毫米,在电磁波中是独一无二的。它们的振动频率与组成物质的分子重叠,并且可用于对物质进行检测,因为几乎每个在太赫兹波段工作的分子都有指纹光谱。

太赫兹波能量的技术应用将对光谱学、成像以及6G和7G技术的发展产生巨大影响。

现在,一个研究小组已经成功地在室温下探测到了响应速度快、灵敏度高的太赫兹波。该团队由来自东北大学电气通信研究所(RIEC)的副教授Akira Satou和来自RIKEN高级光子学中心的Hiroaki Minamide领导。

器件结构的鸟瞰图和器件表面的电子显微照片。G1:栅极1电极,G2:栅极2电极,D:漏电极,S:源电极。(图片:东北大学)


石墨烯是一种在蜂窝晶格中结晶的碳原子单原子层材料,长期以来被视为能够实现快速响应和高灵敏度太赫兹波探测器的解决方案之一,该探测器能够在室温下工作。但是太赫兹波的独特性质使得这一点变得很困难。

众所周知,光热电检测利用由吸收电磁波加热的电子和空穴的空间热扩散产生电动势效应,能够快速、灵敏地检测太赫兹波。然而,目前的光热电探测器具有复杂的双极结构,需要探测器中的两个电极使用不同的材料制成。这使得同时实现高性能和大规模生产面临挑战。

当保持栅极1偏置时,测得的光电压输出(峰值高度)与栅极2偏置电压的关系从最小电荷中和点变为正值。图中绘制了晶体管通道中的横截面载流子密度和温度曲线。(图片:东北大学)


该小组的成功得益于一项新原理,该原理使得即使在最简单的晶体管设备中也能进行检测操作。

“我们使用了一种带有石墨烯的单极型晶体管,其中只涉及电子,”Satou表示,“此外,相同类型的金属可用于所有电极。”


来源:Tohoku University



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