磁性传感材料与器件研究进展

磁性材料是一种既古老又新颖的功能材料,磁性材料本身具有诸多特殊性质,正是基于此类特性,磁性材料可以完成外界物理量与磁信号之间的相互转换,由此制成各种类型的磁性传感器。随着传感器向着智能化、微型化、多功能化、高灵敏度、低功耗、高可靠性发展,新型磁性传感器种类也迅速增加,应用场景愈加广阔。然而,由于人类对磁信号的探测及处理远不如电学信号成熟,磁性传感器的应用仍有诸多问题尚未解决。材料的研究者们更关注新磁学现象,而能成功应用于传感器的磁性材料除了其特有的磁敏特性外,还应根据其具体应用场景提高它的其他物理性能,而传感器的研究者们在解决传感器微型化、高灵敏度等问题时并不会优先从材料角度考虑问题,导致某一类磁性材料从发现到其成熟应用于传感器所经历的周期过长,而很多已发现的磁性材料并未找到合适的应用场景。从材料角度而言,目前在传感器领域应用最多的是磁电阻材料,其广泛应用于位移传感器、角速度传感器、硬盘磁头、非接触电流测量等领域。其他研究较成熟的磁性材料如软磁材料、磁致伸缩材料、磁电复合材料、磁流体材料等在传感器领域也有一定的应用,如力学传感器、生物传感器、光学传感器等。为了使磁性传感器有广泛的应用,磁性材料及磁性传感器的研究者们应从应用角度出发,根据不同应用场景,提出更为全面具体的材料性能要求,以此为目标,对现有的磁性材料进行改性处理,或研发新型磁性材料,加快磁性材料及磁性传感器领域的发展。本文综述了多种磁性材料(包括磁电阻材料、高磁导率软磁材料、巨磁阻抗材料、磁致伸缩材料、磁光材料、磁电复合材料、磁流体材料等)在磁场探测、光学传感、力学传感、生物传感、电流传感等方面的应用以及研究进展,并从应用的角度出发,展望了未来磁性材料及磁性传感器的发展前景,以期为新型磁性传感器的制造及应用提供参考。

面向新兴产业和未来产业的新材料发展战略研究

新材料是新兴产业和未来产业发展的根基,是抢占科技和经济发展制高点的重要领域,也是我国推进新型工业化的重要驱动力。本文梳理了新材料在信息、能源、生物、深空与深海探测等领域的发展趋势,发现新材料联用或与其他学科、领域的深度融合正在成为新材料发展的重要特点;系统分析了我国新材料产业在规模、技术创新能力、企业和集群等方面的发展现状,总结了新材料产业发展存在的关键原材料依赖进口、核心装备尚未实现自主可控、高端产品自给率不高、部分重点产品缺乏应用迭代、标准和评价体系不完善等问题;提出了面向新兴产业亟需发展的9个重点方向以及面向未来产业亟需布局的7个重要方向。为推动新材料产业的高质量发展,研究建议:着力筑牢新材料产业发展根基,扎实提升新材料产业链水平,营造良好的产业发展生态环境,完善产业发展配套政策。

硅纳米线传感器灵敏度研究进展

对基于一维纳米材料的硅纳米线场效应晶体管(SiNW-FET)传感器在疾病早期诊断中检测超低浓度生物标志物的优势进行了简单阐述,提出提高SiNW-FET传感器检测灵敏度的重要性和必要性。介绍了SiNW-FET传感器的工作原理、检测灵敏度和检测限(LOD)。重点讨论了通过对SiNW表面修饰方法的优化、使用不同结构形状SiNW和降低传感器德拜屏蔽效应等方法提高SiNW-FET传感器的灵敏度,对各种提高灵敏度的方法和对应方法下SiNW-FET传感器的检测限或灵敏度进行了对比总结。最后,总结了提高SiNW-FET传感器灵敏度的方法和目前亟待解决的问题,并展望了其发展趋势。

克服FET生物传感器德拜屏蔽效应的研究进展

目前场效应晶体管生物传感器(BioFET)已成功用于生物医学检测。虽然BioFET在生物检测方面具有快速响应、无标记和高灵敏度检测等优点,但是BioFET用于生理环境检测时,容易受到德拜屏蔽效应的影响,导致灵敏度降低甚至无法检测。阐述了BioFET的工作原理;介绍了BioFET目前面临的挑战之一——德拜屏蔽效应;解释了德拜屏蔽效应的原理;探讨了克服德拜屏蔽效应的典型方法:增加德拜长度、优化目标物、优化器件结构以及降低电双层影响,并对这4个方面的研究进展从增强机理、具体方法及检测效果等方面进行了详细的分析和总结。

巨磁阻抗传感器在生物检测领域的研究进展

对巨磁阻抗(GMI)效应的产生以及基于GMI效应制备的生物传感器的优势进行了简单阐述,分析了GMI生物传感器应用于生物检测的工作原理,并对GMI生物传感器的制备方法以及主要的薄膜结构对GMI比值的影响进行了综合介绍,总结了GMI生物传感器在生物检测中的应用,并重点阐述了GMI生物传感器在免疫磁珠、肿瘤标志物、细菌、病毒、细胞检测以及血栓模拟检测方面的研究进展。最后,对当前GMI生物传感器的检测应用所面临的困难进行了总结,并对GMI生物传感器未来的发展方向进行了展望。

基于金属氧化物的乙醇检测气敏材料的研究进展

金属氧化物型半导体气体传感器是目前常用的乙醇检测手段,深入研究和改进金属氧化物型半导体材料是提升传感器性能的重要方式。本文首先论述了气敏检测的机理和影响因素,并综述了近年来发展的主要金属氧化物型半导体气敏材料,重点介绍了不同微观结构的Co3O4、ZnO、SnO2及掺杂金属氧化物材料、氧化物异质结等的研究和发展情况,对它们的合成方法、结构特点以及结构与乙醇气敏性能之间的关系进行了探讨。分析表明,减小材料颗粒尺寸、构建大比表面积多孔结构、掺杂和复合改性,是提升金属氧化物材料气敏性能的有效措施。此外,基于传感器微小化的趋势,以微机电系统(MEMS)工艺为基础的微型传感器成为气体传感器的发展趋势。然而,目前针对金属氧化物气敏材料的制备依然缺乏一定的理论指导,气体检测缺乏相应的机理研究,亟需物理、化学、材料等多学科的相互结合,促进乙醇等半导体气体传感器的进一步发展。

锑化物Ⅱ类超晶格材料外延生长、结构及光学特性研究进展

近年来,锑化物Ⅱ类超晶格材料在外延生长和发光性质等方面的研究取得了巨大的进步,为获得高性能中红外波段光电子器件奠定了重要的基础。然而,由于传统的InAs/GaSb体系超晶格材料中内部本征Ga原子缺陷的存在,使得InAs/GaSb材料的少子寿命过短,严重影响了光电子器件性能的提升,因此设计并生长具有长少子寿命的新材料体系超晶格材料具有重要的研究意义。本文对现阶段锑化物Ⅱ类超晶格材料的各类材料体系进行了总结和分析,着重强调了各类材料体系的外延生长条件、结构及光学特性等方面的研究进展,并对锑化物Ⅱ类超晶格材料今后的发展进行了展望。

新型传感材料与器件研究进展

新型传感技术融合了材料科学、微纳电子技术、生物技术等学科,是人工智能、精准医疗、新能源等战略前沿的先导和基础,也是智慧城市、智慧医疗等物联网应用的技术关键。智能化、微型化、多功能化、低功耗、低成本、高灵敏度、高可靠性是新型传感器件的发展趋势和主要研究方向。新型传感器件的传感性能很大程度上取决于传感材料的化学成分、表面修饰、传感层微观结构和完整性等因素。近年来,新型传感材料与器件的研究方兴未艾,为现代传感技术的深入开发与应用带来了新的机遇。本文综述了新型传感材料,包括硅纳米线、石墨烯、碳纳米管、二维材料、金属有机框架材料、水凝胶材料以及有机半导体材料等在力学传感、声学传感、生物传感、爆炸物监测等方面的应用。讨论了微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)传感器技术,以及柔性可穿戴传感器相关材料、器件结构和制造方法的最新进展。

基于领域知识辅助的机器学习方法对软磁金属玻璃性能的预测

提出一种领域知识辅助的机器学习方法,实现对软磁金属玻璃饱和磁化强度(B_(s))和临界尺寸(D_(max))的预测。基于公开的实验数据,建立软磁合金数据库。提出一个通用的特征空间,适用于面向不同预测任务的机器学习模型训练。结果表明,机器学习模型的预测能力比基于物理知识的估计方法精度更高。此外,领域知识辅助的特征选择可在有效减少特征数量的同时,不显著降低模型的预测精度。最后,对软磁金属玻璃临界尺寸的二分类预测进行讨论。

基于硅材料MOS量子点单自旋量子比特的研究与实现

量子计算作为未来计算技术发展的一个重要方向,在一些特定领域具有现代计算机无可比拟的强大优势。基于硅材料的金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor,MOS)量子点自旋量子比特由于拥有较长的相干时间以及与现代集成电路工艺兼容等优势,在近些年来获得了广泛研究,并取得了较大发展,成为了实现通用量子计算重要的候选方案之一。总结了硅MOS量子点单自旋量子比特实现方案,介绍了硅量子点量子计算的研究背景及意义,叙述目前硅MOS量子点单自旋量子比的研究进展,介绍了MOS量子点器件结构、量子点电荷输运理论、量子比特的读出、量子比特的操作、退相干的影响因素与抑制方法以及扩展与集成等方面的内容,最后讨论了硅MOS量子点自旋量子比特在实现通用量子计算方面面临的挑战与未来发展趋势。

基于独立成分分析的尖轨导波监测信号处理方法研究

道岔尖轨属于一种非规则变截面波导,复杂的结构导致其在应用导波进行检测时,存在的模态众多,而尖轨本身也处于一种动态且复杂的工作状态,以上因素造成对于超声导波监测信号使用传统的残差分析的方法难以解读的问题。因此,通过基准信号与当前信号在同一特征空间分解的方式,对空间中表征缺陷对于监测信号影响的维度进行了分析,提出了基于独立成分分析的尖轨导波监测信号处理方法,在理论分析的基础上使用超声导波监测仪对尖轨进行了模拟监测实验。研究结果表明:使用本处理方法能够对尖轨导波监测信号进行分解,从中提取有效信息实现缺陷的准确判别与定位,对于同一组缺陷,监测结果信噪比残差分析法更高。

面向5 nm CMOS技术代堆叠纳米线释放工艺研究

针对5 nm CMOS技术代亟待解决的纳米线释放难题,通过实验探究了HF(6%)∶H_2O_2(30%)∶CH_3COOH(99.8%)=1∶2∶3的混合溶液放置时间对纳米尺度外延堆叠GeSi/Si/GeSi/Si结构释放影响。混合溶液放置时间在48 h内,GeSi层的腐蚀速率会随着溶液的放置时间的增加而变大,48 h后腐蚀速率趋于稳定。另外,在厚度相同的情况下,Ge Si层的腐蚀速率会随着Ge含量的增加而变大。本文实现了腐蚀纳米尺度GeSi的同时没有对Si造成损伤,对于厚度为31.3 nm的GeSi层,腐蚀的深宽比达到了17∶1,而且没有出现倒塌现象。该湿法腐蚀工艺对于5 nm及以下技术代堆叠纳米线制造、SON结构、新型MEMS和传感器件制造等具有一定的借鉴和指导意义。

应用于堆叠纳米线MOS器件的STI工艺优化研究

在传统Fin FET集成工艺上,通过Ge Si/Si叠层量子阱结构外延生长再形成堆叠纳米线MOS场效应晶体管的方案,是实现5 nm及其以下CMOS集成电路工艺技术最具可能的器件方案。由于Ge元素在该技术中的引入,导致器件工艺中的浅沟槽隔离(STI)工艺部分产生严重的低温高深宽比工艺(HARP) SiO_2腐蚀速率控制问题。本文针对堆叠纳米线MOS器件STI工艺中的低温HARP SiO_2回刻腐蚀速率调节与均匀性控制问题,进行了全面的实验研究。实验中使用HF溶液对不同工艺条件下的HARP SiO_2进行回刻腐蚀,并对其腐蚀速率变化进行了详细研究,具体包括不同退火时长以及相同退火温度不同厚度HARP SiO_2位置处的腐蚀速率。通过实验结果发现,在退火温度相同的情况下,随着退火时长的增加,SiO_2腐蚀速率逐渐变小;而对于同一氧化层来说,即使退火条件相同,SiO_2不同厚度位置处的腐蚀速率表现也不同,即顶部的速率最大,而底部则最小。由此可以看出,随着退火时长的增加,低温HARP SiO_2腐蚀速率逐渐减小,并且对STI具有深度依赖性。该实验结果对成功制作5 nm技术代以下堆叠纳米线器件的STI结构起到了重要的技术支撑作用。

硅纳米线场效应晶体管生物传感器克服德拜屏蔽效应的研究进展

硅纳米线场效应晶体管(silicon nanowire field-effect transistor,SiNW-FET)生物传感器具有灵敏度高、特异性强、免标记、实时响应的检测能力而被广泛地研究和应用,如离子、核酸、蛋白质、病毒、糖类等目标生物分子以及细胞的活体信号检测。但是,SiNW-FET生物传感器受到德拜屏蔽效应的影响,高离子强度溶液中目标生物分子的检测灵敏度会大大降低甚至不能检测,从而极大限制了SiNW-FET生物传感器的应用。克服德拜屏蔽效应的主要原理是将待测溶液中的目标生物分子控制在德拜长度范围内,通过增加德拜长度和缩短待测溶液中目标分子与SiNW-FET生物传感器表面的距离可以有效地克服德拜屏蔽效应。其中增加德拜长度的方法包括稀释法、去盐法、蛋白质纯化法、渗透聚合物层法。缩短待测溶液中目标分子与SiNW-FET表面距离的方法包括将抗体碎片化、适配体替代抗体以及选用新型修饰分子法等。本文综述了SiNW-FET生物传感器的工作原理、存在的具体挑战以及克服高离子强度溶液中德拜屏蔽效应的方法,并展望了SiNW-FET生物传感器的发展趋势。

轧制钼材制备过程织构演变的研究现状

相对于钼合金,纯钼轧制板带箔材的应用性能改善途径更多地集中于原料纯度提高及显微组织结构优化,其中因烧结、轧制及退火过程中晶粒取向择优分布而形成的织构是不可忽略的重要因素。尽管近年来X射线衍射、电子背散射衍射等织构分析技术的进步为更深入研究钼材织构形成和演变提供了充分的支持,但是相关研究往往局限于某一特定状态或阶段(如热轧、冷轧或退火等)的钼材的织构情况,对钼材织构在整个制备过程中的演变行为尚缺少系统总结。纯钼薄板的轧制和初始再结晶织构为典型的无杂质体心立方金属织构,主要包括以{001}〈110〉、{112}〈110〉为代表的α线织构和以{111}〈110〉、{111}〈112〉为代表的γ线织构等组分;其形成经历了从烧结钼坯的〈100〉∥ND、〈110〉∥ND、〈112〉∥ND或〈113〉∥ND织构,到轧制过程中主织构成分{001}〈110〉或{112}〈110〉以及γ线织构的逐渐生成和增强,再到部分再结晶时的主织构强化、{111}〈110〉基本不变、{111}〈112〉弱化,最后到完全再结晶时织构主成分从{112}〈110〉到{113}〈110〉、{001}〈110〉的演变历程。从轧制钼材织构的分析表征手段入手,本文循着制备工艺路线梳理了钼材轧制及退火过程中织构的演变轨迹,旨在总结近年来国内外有关轧制钼材制备过程织构演变的研究工作,并归纳钼材与低碳钢等工业应用更广泛、研究更深入的BCC金属织构及演变规律的异同,以供参考。

烷基链工程对两亲有机半导体热力学性能影响的研究

由于特殊的分子结构,两亲功能分子具有易加工、低成本和高性能等优势,因而广泛应用于功能薄膜材料制备和细胞膜相关的仿生学研究中。于是课题基于侧链工程,设计并合成了一类功能两亲分子Cn PA-BTBT (n=3–11),分子使用不同长度烷基链连接疏水的半导体骨架和亲水的极性功能基团。使用基于示差扫描量热法的热力学研究分析不同长度烷基链的体积效应、奇偶性、柔性和其它烷基链特性对材料整体性能影响,并最终根据热力学测试结果,提出了一个三态分子模型。此工作为功能有机半导体材料设计、合成、优化以及目标性能材料的筛选提供了实验依据。

二维原子晶体材料及其范德华异质结构研究进展

2004年英国曼彻斯特大学Geim研究组成功剥离出石墨烯(graphene)以来,二维原子晶体(two-dimensional atomic crystals)材料获得了极大关注。二维原子晶体材料及其范德华异质结构(van der Waals heterostructures)具有电学、热学、力学、化学及光学等方面的众多优异特性,可广泛于电子、催化、储能、生物医学、复合材料等领域。特别是石墨烯,被认为是后摩尔时代的关键材料。二维原子晶体材料除了可制备微电子与光电子器件外,还可能应用到多种新型功能器件。综述了石墨烯(graphene)、二硫化钼(Mo S2)、磷烯(phosphorene)等二维原子晶体材料的合成生长、性能表征与器件制备,并重点讨论了二维原子晶体材料及其范德华异质结在微纳电子领域的研究进展和应用前景。

纳米TiO_2电子传输层制备方法及其钙钛矿太阳能电池性能

采用旋涂法(SC)、原子层沉积(ALD)和磁控溅射(MS)3种方法制备二氧化钛(TiO_2)致密籽晶层并生长TiO_2纳米柱层(TiO_2 nanorod layer),研究了由TiO_2致密层(TiO_2 compact layer)和TiO_2纳米柱层组成的纳米TiO_2层(nano-TiO_2 layer)的形貌结构及其作为电子传输层(ETL)对钙钛矿太阳能电池(PSCs)性能的影响。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对制备的纳米TiO_2层的结构、形貌进行了表征。研究发现采用磁控溅射制备的TiO_2籽晶层的表面粗糙度最大,为26.6 nm,有利于生长TiO_2纳米柱层,生长的金红石型晶体结构的TiO_2纳米柱具有最好的结晶性。采用紫外可见吸收光谱(ultravioletvisible absorption spectroscopy)对掺氟的SnO_2透明导电玻璃(FTO)/纳米TiO_2层/钙钛矿层结构的光吸收性能进行分析。采用电流-电压曲线(I-V曲线)对不同纳米TiO_2层的钙钛矿太阳能电池性能进行了测试分析。结果表明,与旋涂法、原子层沉积方法相比,采用磁控溅射制备的纳米TiO_2层作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池具有最佳的转换效率。

钼材料杂质元素晶界偏聚的研究进展

钼属于体心立方结构的过渡族金属,在室温附近易发生脆性破坏,其室温脆性包括由过渡族金属元素核外电子排布决定的本征低温脆性和晶界脆性,晶界脆性与杂质元素在晶界处的偏聚紧密相关。本文开篇简述了钼材料发生脆性行为的内在机制,在此基础上,结合第一性原理计算和三维原子探针层析技术论述了C,O,H,N,B等间隙杂质及Re,Zr,Hf等典型金属杂质元素在钼材料晶界处偏聚的状态及其对材料宏观性能的影响:总结了间隙元素与钼晶界原子的键合特性以及对晶界强度的影响规律,重点关注了O,N元素对钼晶界结合力的弱化,和微量C,B元素对晶界结合力的强化以及对O的消耗;探讨了金属掺杂化学在钼材料晶界偏聚中的作用以及塑性特性与掺杂金属的键合电子数的密切联系,整理了Re元素的显著作用以及σ相的析出机制,和微量Zr,Hf元素的弱本征脆化以及对O和N的消耗。归纳了典型间隙元素在钼材料变形态和再结晶后的晶界偏聚规律,最后对以杂质元素晶界偏聚的角度来改善钼材料脆性断裂进行了展望。

无需激活Ti基吸氢材料的制备及性能研究

真空工作腔内的残余氢气会对砷化镓功率放大器造成严重危害,在器件内部预置吸氢材料是解决这一问题的有效技术途径。由于砷化镓器件内部有低熔点的焊料,要求吸氢材料在使用时应避免高温激活处理程序。报道一种满足该要求的无需激活吸氢材料,该材料以吸氢量较大的钛箔作为基体材料,经酸洗处理后,采用磁控溅射工艺在其表面沉积一层钯膜。通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)表征了Pd膜的表面及截面的微观形貌和晶体结构,通过X射线光电子能谱(XPS)分析了Pd膜的表面元素价态,利用定容法测试了材料的吸氢性能。结果表明,Pd/Ti样品的吸氢主体是Ti箔,合适的酸洗工艺可以有效去除Ti箔的氧化层,有利于提高材料的吸氢性能;Pd/Ti样品经真空退火处理更进一步提高吸氢性能。表面元素价态分析表明,经磁控溅射沉积的Pd膜为金属态。在Pd膜的保护作用下,样品经真空退火并暴露大气24 h后,在测试温度为27℃、测试氢压为1000 Pa条件下,仍具有较高的吸氢性能,12 h的累积吸氢量可达191.98 Pa·L·cm^(-2)。