慈善經濟「國家寶藏幣 高科技創富計劃」全球Top1美國次世代半導體超體IP技術聯盟建立與永續發展

2022/06/03
高科技

日期:2022/06/03   IA

IAE國際學士院(全球)慈善經濟「全球數位金融 國家寶藏幣(NATS)「共融」次世代超導IP專利高技術永續發展計劃」引進亞洲全球Top1之美國最新次世代半導體超導體數百個美國IP專利,共融促進全球Top1之美國最新次世代半導體之超導體專利技術於台灣未來30年新世代新次世代半導體發展為核心中心,同時發展為亞洲、歐洲、中東次世代半導體之超導體IP專利全球聯盟與新世代半導體之超導體產業永續發展

 

美國最新次世代半導體超導體公司數百個IP專利之全球夥伴

IAE國際學士院 全球產官學中心(北美)引導「亞洲 台灣」首將引進全球第一名之美國最新次世代半導體超導體數百個IP專利,將是下世代30年半導體製造技術及其高端晶片應用。     (政府前瞻政策計劃)

●半導體新應用將誕生?科學家首次將半導體與「超導體」連結

超薄半導體可以提供獨特的特性,因為它們可以利用電場來影響內部電子的磁矩。 半導體單分子層還具有復雜的量子力學現象,可應用於量子技術。 研究人員目前正在研究如何使用稱為范德華異質結構的薄半導體來形成新的合成材料。

半導體是現代電子設備中最關鍵的組件之一,因此研究人員一直致力於開發由單層半導體材料組成的新型半導體。 一些天然存在的材料使用通過堆疊單層形成的三維晶體提供半導體特性。 研究人員可以在實驗室環境中分離出這些厚度不超過一個分子的層,然後用它們來製造電子元件。

半導體、超導體是兩種具有特殊導電性的材料。半導體是導電性介於導體與絕緣體間的物質,是近代科技發展的重要材料;而超導體在低於一定的溫度後,電阻會消失,可以讓電流通過但不耗損能量。近日,瑞士奈米科學研究所和 Basel 大學物理系團隊將二硫化鉬半導體單層與超導觸點結合,是人類首次將半導體與超導體結合,未來可能會產生新的應用領域。研究團隊將論文發表在《Nano Letters》期刊上。

 

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1. Processors Value created

處理器 創造的價值
1) 在 ⅓ 功率下快 3 到 5 倍。
2) 或相同的 1/20 次方表現。
3) 消除偏差,允許無限多-核心架構。
4) 處理空間增加 30%通過消除緩衝區,時鐘電路。

2. Medical – Sensors  Value created

1) 便攜式傳感器 100-1000X
對 ATS 更敏感。
2) 將 MRI、MCG* 和 MEG* 放入
醫生辦公室。
3) 神經衝動控制——
終極隱藏

3. Cell Towers - Infrastructure  Value created

1) 減少干擾
一半。
2) 允許多 50%
渠道。
3) 增加覆蓋率=
掉線的一半。
4) 5X 靈敏度。

4. Generators Value created

1) 減少 60%功率損失。
2) ⅓ 至 ½ 重量 &尺寸相同的評級。
3) 98% 的效率。
4) 降低壽命-循環
費用。
5) 重量大小風中的機艙塔。

5. Energy Storage Value created

超級電容器存儲 •  更大的尺寸和功率產量 .中小企業(超導磁儲能)
電池存儲

6. Motors Value created

1) 減少 60%功率損失。
2) ½ 尺寸和重量對於相同的評級。
3) 10 倍更廣泛的運營峰值範圍效率。
市場規模– 400億美元

7. DC - 微電網

1)消除多個轉換步驟。
2) 減少 40%轉換損失。
3) 太陽能電池到電池到服務器架構可能的。

8. Power Electronics 電力電子

1) 系統功率減半
損失[阻力較小]。
2) 在典型情況下節省 275 kW5.5 兆瓦數據中心。
3) 在 5 MW 中節省 250 kW光伏微-逆變器陣列。
市場規模– $ 500億美元

9. MEMS(微機電系統)

1) 信噪比增加了 100 倍。
2) 功耗減少 4 倍。
3) 溫度係數提高了 50 倍。
4) 處理過的真實-時間
測量。
市場規模– $100億美元

10. IC’s - Packaging IC - 封裝1) 3D 集成。
2) 功率降低 50%損失。
3) 活動設備減少 15%。
4)實用混合技術一體化。
市場規模– $500億美元

11. Transformers

1) 一半的尺寸和重量常規變壓器。
2) 內在過載受保護。
3) 室內安裝– 沒有油要求。
4) 1%的效率提升= $M+ 在生命週期內變壓器。
市場規模– $360億美元

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科學家研究單層半導體堆疊技術

半導體技術快速發展,隨著電子元件縮小,科學家正在研究單層(monolayer)半導體材料技術。實驗室中,科學家藉由分離厚度僅一個分子的半導體層來堆疊三維晶體,並用此來建構電子元件。層於層之間半導體會產生量子力學現象,因此該電子元件可應用於量子技術中。

全球科學家正在研究單層半導體堆疊技術,形成名為「凡得瓦異質結構」(van der Waals heterostructures)的合成材料。但直到近日,科學家才成功將半導體單層與超導體觸點結合。

科學家首次將半導體與超導體連結,觀察到強耦合現象

瑞士奈米科學研究所和 Basel 大學物理系團隊將二硫化鉬半導體單層與超導觸點結合。研究團隊進行低溫的電學測量,發現在略高於絕對零度(攝氏 -273.15 度)的環境下,該材料有超導體的特性。

研究人員也發現半導體層與超導體間的強耦合現象。論文主要作者 Mehdi Ramezani 表示,強耦合現象是我們期望在凡得瓦異質結構觀察到的現象,但過去從未能夠展現出來。

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科學家一直希望能將半導體與超導體結合,期望它能表現出新的特性和物理現象。領導此研究的教授 Andreas Baumgartner 表示,在超導體中,電子們如同舞伴般地成對排列,產生奇怪但也奇妙的效果,例如電子流動沒有阻力。另外,在半導體的二硫化鉬中,電子展現出截然不同的舞蹈,還併入自身的磁矩。我們的任務就是將這兩種材料合併,並且找出電子會演出怎樣的舞蹈。

 

研究人員表示,該技術可以應用在其他的半導體上,進一步擴展潛能。Baumgartner 表示,根據量測結果,這些混合的單層半導體元件的確是可能的,甚至還可能跟其他獨特的材料結合,提供更多的洞見。

超薄半導體首次與超導體電連接

Ultrathin semiconductors are electrically connected to superconductors for the first time

無論是在智能手機、電視還是建築技術中,半導體在電子產品以及我們的日常生活中都發揮著核心作用。 與金屬相比,可以通過施加電壓來調節它們的電導率,從而打開和關閉電流。

Whether in smartphones, televisions or building technology, semiconductors play a central role in electronics and therefore in our everyday lives. In contrast to metals, it is possible to adjust their electrical conductivity by applying a voltage and hence to switch the current flow on and off.

著眼於電子和量子技術的未來應用,研究人員正專注於開發由單層(單層)半導體材料組成的新組件。 一些具有半導體特性的天然材料具有這種單層,堆疊形成三維晶體。 在實驗室中,研究人員可以將這些不比單個分子厚的層分離,並用它們來製造電子元件。

With a view to future applications in electronics and quantum technology, researchers are focusing on the development of new components that consist of a single layer (monolayer) of a semiconducting material. Some naturally occurring materials with semiconducting properties feature monolayers of this kind, stacked to form a three-dimensional crystal. In the laboratory, researchers can separate these layers—which are no thicker than a single molecule—and use them to build electronic components.

新的屬性和現象

這些超薄半導體有望提供原本很難控制的獨特特性,例如使用電場來影響電子的磁矩。 此外,複雜的量子力學現象發生在這些可能應用於量子技術的半導體單層中。

世界各地的科學家正在研究如何將這些薄半導體堆疊形成新的合成材料,即范德華異質結構。 然而,直到現在,他們還沒有成功地將這種單層與超導接觸相結合,以更深入地研究新材料的特性和特性。

New properties and phenomena

These ultrathin semiconductors promise to deliver unique characteristics that are otherwise very difficult to control, such as the use of electric fields to influence the magnetic moments of the electrons. In addition, complex quantum mechanical phenomena take place in these semiconducting monolayers that may have applications in quantum technology.

Scientists worldwide are investigating how these thin semiconductors can be stacked to form new synthetic materials, known as van der Waals heterostructures. However, until now, they have not succeeded in combining such a monolayer with superconducting contacts in order to dig deeper into the properties and peculiarities of the new materials.

參考資料 《Nano Letters》、《University of Basel》、《PhysOrg

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●台積電在半導體代工市場席捲全球,成為世界霸主,中國在第1代與第2代半導體布局嚴重落後,因此在新的「十四五規畫」中,預計將投資10兆元台幣,發展第3代半導體。全球對第3代半導體的投資掀起熱潮,相關公司股價表現熱絡,成為半導體投資的新星。(財訊)

所謂第1代半導體材料矽、鍺等;第2代半導體材料砷化鎵、磷化銦等;第3代半導體材料為氮化鎵、碳化矽等。但第2、3代不會取代第1代,而是依據不同的特性應用在其專長領域。工研院產科國際所研究總監鄭華琦指出,第2、3代半導體材料為化合物半導體,重要特性為寬能隙(Wide band gap),比傳統半導體材料矽要寬很多,因此有耐高電壓、高電流的特性,可因應電動車、綠能、5g基站、雷達及快充等終端應用趨勢。

應用範圍廣泛 進入門檻不低

根據工研院產科國際所統計,目前第1代半導體材料的市占率約9成,第2、3代合計約10%。化合物功率半導體(即第2、3代半導體)去年市場規模約298億美元,但2025年成長到361.7億美元,2030年更可上看435億美元,成長潛力大。

 

●半導體次世代材料正在掀起一場革命,較矽材料更具高性能的氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)逐漸受到市場矚目,未來將可望大量使用在功率半導體應用上面。

目前主流使用是以6吋、8吋矽磊晶圓為其原始材料,但大型IDM廠已經有將功率元件往12吋生產的趨勢,包括德州儀器、英飛凌、瑞薩、 恩智浦等。另外,由於部分應用領域,矽材料特性已經達物理極限,無法再提升產品效能,因而有越來越多公司朝下世代寬能隙半導體元件尋求突破,因此公司積極往SiC、GaN/Si磊晶發展。

拓墣產業研究院指出,相較目前主流的矽晶圓(Si),次世代半導體材料SiC及GaN除了耐高電壓的特色外,也分別具備耐高溫與適合在高頻操作下的優勢,不僅可使晶片面積可大幅減少,並能簡化周邊電路的設計,達到減少模組、系統周邊的零組件及冷卻系統的體積。

 

除了輕化車輛設計之外,其低導通電阻及低切換損失的特性,也能大幅降低車輛運轉時的能源轉換損失,2者對於電動車續航力的提升有相當的幫助。因此,SiC及GaN功率元件的技術與市場發展,與電動車的發展密不可分。

 

儘管GaN基板在面積大型化的過程中,成本居高不下,造成GaN基板的產值目前仍小於SiC基板,但GaN能在高頻操作的優勢,仍是各大科技廠矚目的焦點。除了高規格產品使用GaN-on-SiC的技術外,GaN-on-Si透過其成本優勢,成為目前GaN功率元件的市場主流,在車用、智慧手機所需的電源管理晶片及充電系統的應用最具成長性。

 

依據研究機構預估,包括功率半導體、太陽能轉換器以及各類電能轉換器、新能源汽車等等,將推升GaN and SiC功率半導體市場快速成長,從2020年到2027年的年複合成長率35%,規模從10億美元激增至100億美元。

國家寶藏幣(NATS)價值內涵

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超導體(superconductor),指可以在特定溫度以下,呈現電阻為零的導體。零電阻和完全抗磁性是超導體的兩個重要特性。超導體電阻轉變為零的溫度,稱為超導臨界溫度,據此超導材料可以分為低溫超導體和高溫超導體。這裡的「高溫」是相對於絕對零度而言的,其實遠低於冰點攝氏0℃。科學家一直在尋求提高超導材料的臨界溫度,目前高溫超導體的最高溫度記錄是馬克普朗克研究所的203K(-70°C)。因為零電阻特性,超導材料在生成強磁場方面有許多應用,如MRI核磁共振成像等。

現在對於超導體的分類並沒有統一的標準,通常的分類方法有以下幾種:

通過材料對於磁場的相應可以把它們分為第一類超導體和第二類超導體:對於第一類超導體只存在一個單一的臨界磁場,超過臨界磁場的時候,超導性消失;對於第二類超導體,他們有兩個臨界磁場值,在兩個臨界值之間,材料允許部分磁場穿透材料。

通過解釋的理論不同可以把它們分為:傳統超導體(如果它們可以用BCS理論或其推論解釋)和非傳統超導體(如果它們不能用上述理論解釋)。

通過材料達到超導的臨界溫度可以把它們分為高溫超導體和低溫超導體:高溫超導體通常指它們的轉變溫度達到液氮溫度(大於77K);低溫超導體通常指它們需要其他特殊的技術才可以達到它們的轉變溫度。

通過材料可以將它們分為化學材料超導體比如:鉛和水銀;合金超導體比如:鈮鈦合金;氧化物超導體,比如釔鋇銅氧化物;有機超導體,比如:碳奈米管。

第3類半導體材料,則以氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)為主,近年來在氣候暖化效應促使「淨零碳排」議題受到矚目,次世代5G通訊技術趨於成熟,以及電動車、航太、資料中心與能源應用的加速推進,需求正高速起飛。

【第3類半導體】又稱寬能隙半導體(Wide Band Gap Semiconductors),中國稱第3代半導體,但第3代並不能取代第1代或第2代,各類半導體皆有適用的應用領域

以氮化鎵和碳化矽為主的第3類半導體材料的優勢是,比起第1類和第2類半導體材料,能夠承受更高功率、高頻率(如毫米波),而且擁有極佳的散熱性能,因此可在特殊應用領域大展身手,例如基地台、電動車、低軌衛星、太陽能源等。

「碳化矽在高功率、高電壓的元件上性能優異,能提供更高效率的電子轉換能力、帶來更好的節能效果,延長電動車電池的續航力, 有機會部分取代原本以矽為基礎的功率元件 。」中央大學副校長綦振瀛指出。

【功率元件】電子裝置的電能轉換與電路控制的核心;主要用途包括變頻、整流、變壓、功率放大等,應用於通訊、消費電子、新能源交通等。

楊瑞臨也認為,「特別是特斯拉(Tesla)在2018年推出首款搭載碳化矽逆變器(SiC inverter)的電動車Model 3」,更是掀起了汽車業對於第3類半導體的重視。

全球碳化矽基板龍頭Wolfspeed在投資日(Investor Day)簡報中提及,碳化矽逆變器可以讓汽車更輕、更小,節省5~10%的車輛空間,意味著能在車內放入更多顆電池,增加行駛的續航力。

目前包括通用汽車(GM)和福斯(Volkswagen),都宣布將在2022年新車款引入碳化矽相關技術。

與此同時,在碳中和與淨零碳排的全球趨勢下,各國政策力挺綠能應用,也成為第3類半導體需求攀升的助力。全球第一大氮化鎵功率元件商納微(Navitas)曾表示,氮化鎵的碳足跡比傳統矽基功率元件低10倍。業界估計,若全球資料中心都升級使用氮化鎵功率晶片元件,能源浪費將減少30~40%,相當於節省100兆瓦時(MWh)太陽能和1.25億噸二氧化碳排放量。

我們展示了與單層二硫化鉬 (MoS2) 的超導垂直互連接入 (VIA) 接觸,二硫化鉬 (MoS2) 是一種具有高度相關電子和光學特性的層狀半導體。作為接觸材料,我們使用 MoRe,一種具有高臨界磁場和高臨界溫度的超導體。電子傳輸主要由具有明顯超導體間隙的單個超導體/正常導體結支配。此外,我們發現與超導體強耦合的 MoS2 區域,導致諧振 Andreev 隧穿和結依賴的間隙特性,表明存在超導鄰近效應。磁阻測量表明,能帶結構和高本徵載流子遷移率在 MoS2 的主體中保持不變。這種類型的 VIA 觸點適用於多種層狀材料和超導觸點,為單層半導體作為超導混合器件的平台開闢了道路。

 

We demonstrate superconducting vertical interconnect access (VIA) contacts to a monolayer of molybdenum disulfide (MoS2), a layered semiconductor with highly relevant electronic and optical properties. As a contact material we use MoRe, a superconductor with a high critical magnetic field and high critical temperature. The electron transport is mostly dominated by a single superconductor/normal conductor junction with a clear superconductor gap. In addition, we find MoS2 regions that are strongly coupled to the superconductor, resulting in resonant Andreev tunneling and junction-dependent gap characteristics, suggesting a superconducting proximity effect. Magnetoresistance measurements show that the bandstructure and the high intrinsic carrier mobility remain intact in the bulk of the MoS2. This type of VIA contact is applicable to a large variety of layered materials and superconducting contacts, opening up a path to monolayer semiconductors as a platform for superconducting hybrid devices.

超薄半導體首次與超導體電連接
2021, 
巴塞爾大學的研究人員首次為超薄半導體配備了超導觸點。 這些具有新穎電子和光學特性的極薄材料可以為以前無法想像的應用鋪平道路。 結合超導體,它們有望產生新的量子現象並在量子技術中得到應用。

Ultrathin semiconductors electrically connected to superconductors for the first time
2021, News
For the first time, University of Basel researchers have equipped an ultrathin semiconductor with superconducting contacts. These extremely thin materials with novel electronic and optical properties could pave the way for previously unimagined applications. Combined with superconductors, they are expected to give rise to new quantum phenomena and find use in quantum technology.

無論是在智能手機、電視還是建築技術中,半導體在電子產品以及我們的日常生活中都發揮著核心作用。 與金屬相比,可以通過施加電壓來調節它們的電導率,從而打開和關閉電流。

著眼於電子和量子技術的未來應用,研究人員正專注於開發由單層(單層)半導體材料組成的新組件。 一些具有半導體特性的天然材料具有這種單層,堆疊形成三維晶體。 在實驗室中,研究人員可以將這些不比單個分子厚的層分離,並用它們來製造電子元件。

Whether in smartphones, televisions or building technology, semiconductors play a central role in electronics and therefore in our everyday lives. In contrast to metals, it is possible to adjust their electrical conductivity by applying a voltage and hence to switch the current flow on and off.

With a view to future applications in electronics and quantum technology, researchers are focusing on the development of new components that consist of a single layer (monolayer) of a semiconducting material. Some naturally occurring materials with semiconducting properties feature monolayers of this kind, stacked to form a three-dimensional crystal. In the laboratory, researchers can separate these layers – which are no thicker than a single molecule – and use them to build electronic components.

新的屬性和現象
這些超薄半導體有望提供原本很難控制的獨特特性,例如使用電場來影響電子的磁矩。 此外,複雜的量子力學現象發生在這些可能應用於量子技術的半導體單層中。

世界各地的科學家正在研究如何將這些薄半導體堆疊形成新的合成材料,即范德華異質結構。 然而,直到現在,他們還沒有成功地將這種單層與超導接觸相結合,以更深入地研究新材料的特性和特性。

New properties and phenomena
These ultrathin semiconductors promise to deliver unique characteristics that are otherwise very difficult to control, such as the use of electric fields to influence the magnetic moments of the electrons. In addition, complex quantum mechanical phenomena take place in these semiconducting monolayers that may have applications in quantum technology.

Scientists worldwide are investigating how these thin semiconductors can be stacked to form new synthetic materials, known as van der Waals heterostructures. However, until now, they have not succeeded in combining such a monolayer with superconducting contacts in order to dig deeper into the properties and peculiarities of the new materials.

超導觸點
由瑞士納米科學研究所和巴塞爾大學物理系的 Christian Schönenberger 教授研究小組的 Andreas Baumgartner 博士領導的物理學家團隊現在已經為單層半導體二硫化鉬安裝了超導觸點,用於 第一次。 (見方框)

Superconducting contacts
A team of physicists, led by Dr. Andreas Baumgartner in the research group of Professor Christian Schönenberger at the Swiss Nanoscience Institute and the Department of Physics of the University of Basel, has now fitted a monolayer of the semiconductor molybdenum disulfide with superconducting contacts for the first time. (see box)

超導觸點

由瑞士納米科學研究所和巴塞爾大學物理系的 Christian Schönenberger 教授研究小組的 Andreas Baumgartner 博士領導的物理學家團隊現在已經為單層半導體二硫化鉬安裝了超導觸點,用於第一次。

半導體和超導體的這種組合之所以如此有趣,是因為專家們期望這種成分能夠表現出新的特性和物理現象。該研究的項目經理鮑姆加特納解釋說:“在超導體中,電子排列成對,就像跳舞的伙伴一樣——產生奇怪而奇妙的後果,比如電流在沒有阻力的情況下流動。” “另一方面,在半導體二硫化鉬中,電子表演一種完全不同的舞蹈,一種奇怪的獨奏程序,還結合了它們的磁矩。現在我們想知道如果我們結合,電子會同意哪些新的和異國情調的舞蹈這些材料。”

Superconducting contacts

A team of physicists, led by Dr. Andreas Baumgartner in the research group of Professor Christian Schönenberger at the Swiss Nanoscience Institute and the Department of Physics of the University of Basel, has now fitted a monolayer of the semiconductor molybdenum disulfide with superconducting contacts for the first time.

The reason why this combination of semiconductor and superconductor is so interesting is that the experts expect components of this kind to exhibit new properties and physical phenomena. "In a superconductor, the electrons arrange themselves into pairs, like partners in a dance—with weird and wonderful consequences, such as the flow of the electrical current without a resistance," explains Baumgartner, the project manager of the study. "In the semiconductor molybdenum disulfide, on the other hand, the electrons perform a completely different dance, a strange solo routine that also incorporates their magnetic moments. Now we would like to find out which new and exotic dances the electrons agree upon if we combine these materials."

 

半導體和超導體的這種組合之所以如此有趣,是因為專家們期望這種成分能夠表現出新的特性和物理現象。該研究的項目經理鮑姆加特納解釋說:“在超導體中,電子排列成對,就像跳舞的伙伴一樣——產生奇怪而奇妙的結果,比如電流在沒有阻力的情況下流動。” “另一方面,在半導體二硫化鉬中,電子表演一種完全不同的舞蹈,一種奇怪的獨奏程序,其中也包含了它們的磁矩。現在我們想知道如果我們結合這些材料,電子會同意哪些新奇的舞蹈。”

適合用作平台
在超導所需的低溫下的電測量——剛好高於絕對零(-273.15°C)——清楚地顯示了超導體造成的影響;例如,在某些能量下,不再允許單電子。此外,研究人員發現了半導體層和超導體之間存在強耦合的跡象。

“強耦合是我們期望在范德華異質結構中看到的新的令人興奮的物理現象的關鍵要素,但從未能夠證明,”該研究的第一作者 Mehdi Ramezani 說。

“當然,我們一直希望電子和量子技術有新的應用,”鮑姆加特納說。 “原則上,我們為半導體層開發的垂直接觸可以應用於大量半導體。我們的測量結果表明,這些混合單層半導體組件確實是可能的——甚至可能使用其他更奇特的接觸材料,這將為進一步深入了解鋪平道路,”他補充道。

The reason why this combination of semiconductor and superconductor is so interesting is that the experts expect components of this kind to exhibit new properties and physical phenomena. “In a superconductor, the electrons arrange themselves into pairs, like partners in a dance – with weird and wonderful consequences, such as the flow of the electrical current without a resistance,” explains Baumgartner, the project manager of the study. “In the semiconductor molybdenum disulfide, on the other hand, the electrons perform a completely different dance, a strange solo routine that also incorporates their magnetic moments. Now we would like to find out which new and exotic dances the electrons agree upon if we combine these materials.”

Suitable for use as a platform
The electrical measurements at the low temperatures required for superconductivity – just above absolute zero (-273.15°C) – show clearly the effects caused by the superconductor; for example, at certain energies, single electrons are no longer allowed. Moreover, the researchers found indications of a strong coupling between the semiconductor layer and the superconductor.

“Strong coupling is a key element in the new and exciting physical phenomena that we expect to see in such van der Waals heterostructures, but were never able to demonstrate,” says Mehdi Ramezani, lead author of the study.

“And, of course, we always hope for new applications in electronics and quantum technology,” says Baumgartner. “In principle, the vertical contacts we’ve developed for the semiconductor layers can be applied to a large number of semiconductors. Our measurements show that these hybrid monolayer semiconductor components are indeed possible –perhaps even with other, more exotic contact materials that would pave the way for further insights,” he adds.

 

在超導所需的低溫下的電測量——略高於絕對零(-273.15 攝氏度)——清楚地顯示了超導體造成的影響;例如,在某些能量下,不再允許單電子。此外,研究人員發現了半導體層和超導體之間存在強耦合的跡象。

“強耦合是我們期望在范德華異質結構中看到的新的和令人興奮的物理現象的關鍵元素,但從未能夠證明,”該研究的第一作者 Mehdi Ramezani 說。

“當然,我們一直希望電子和量子技術有新的應用,”鮑姆加特納說。 “原則上,我們為半導體層開發的垂直接觸可以應用於大量半導體。我們的測量表明,這些混合單層半導體組件確實是可能的——甚至可能使用其他更奇特的接觸材料來鋪平道路獲得進一步見解的途徑,”他補充道。

精心製作工藝

在一種由不同材料製成的三明治中製造新組件需要大量不同的步驟。在每個步驟中,避免污染很重要,因為它們會嚴重損害電荷的傳輸。

為了保護半導體,研究人員在兩層薄薄的氮化硼之間包裹了一層二硫化鉬,他們之前使用電子束光刻和離子蝕刻垂直蝕刻了觸點。然後,他們沉積一層薄薄的鉬錸作為接觸材料——這種材料即使在強磁場存在的情況下也能保持其超導特性。

在手套箱中的保護性氮氣氣氛下工作,研究人員將氮化硼層堆疊在二硫化鉬層上,並將底面與另一層氮化硼以及用於電氣控制的石墨烯層結合起來。然後,研究人員將這種精細的范德華異質結構放置在矽/二氧化矽晶片的頂部。

The electrical measurements at the low temperatures required for superconductivity—just above absolute zero (-273.15 degrees Celsius)—show clearly the effects caused by the superconductor; for example, at certain energies, single electrons are no longer allowed. Moreover, the researchers found indications of a strong coupling between the semiconductor layer and the superconductor.

"Strong coupling is a key element in the new and exciting physical phenomena that we expect to see in such van der Waals heterostructures, but were never able to demonstrate," says Mehdi Ramezani, lead author of the study.

"And, of course, we always hope for new applications in electronics and quantum technology," says Baumgartner. "In principle, the vertical contacts we've developed for the semiconductor layers can be applied to a large number of semiconductors. Our measurements show that these hybrid monolayer semiconductor components are indeed possible—perhaps even with other, more exotic contact materials that would pave the way for further insights," he adds.

Elaborate fabrication process

The fabrication of the new component in a type of sandwich made of different materials requires a large number of different steps. In each step, it is important to avoid contaminations, as they seriously impair the transport of electrical charges.

To protect the semiconductor, the researchers pack a monolayer of molybdenum disulfide between two thin layers of boron nitride, through which they have previously etched the contacts vertically using electron-beam lithography and ion etching. They then deposit a thin layer of molybdenum rhenium as a contact material—a material that retains its superconducting properties even in the presence of strong magnetic fields.

Working under a protective nitrogen atmosphere in a glove box, the researchers stack the boron nitride layer onto the molybdenum disulfide layer and combine the underside with a further layer of boron nitride as well as a layer of graphene for electrical control. The researchers then place this elaborate van der Waals heterostructure on top of a silicon/silicon-dioxide wafer.

 

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高科技、高思維

    趨勢大師奈思比先生日前,並推介其「高科技、高思維」,奈思比先生可說一反常態的不再強調科技對人類的影響,相反的他積極省思在高科技的環境中,人類逐漸失去對心靈的探索及人文的陶養。

 

    奈思比先生語重心長的指出,不是有了電腦就顯示科技的進步,這種過度物役的結果,反而使得人類的心靈日漸空虛;因此,唯有走回人文思辨之路,才能化解科技帶來的「文明副作用」無庸置疑的,在現今知識爆炸的時代,似乎人類的文明,只是以各種現代化科技產品來衡量,甚至唯有能在高科技產品的領域中立足,才稱得上是成功。在這種前提之下,追求功利與物慾,已成為人類不可避免的宿命,雖然許多人因而致富,但是卻失去自我,這是我們始料未及的。

 

    奈思比已分別從不同的途徑點出這種缺憾,更告訴我們未來的路如何走下去,當人類盲目的追求永無止境的高科技產業時,千萬不要忘了對人文心靈的陶冶。畢竟擁有最先進的電腦或手機,並非意味著就是先進的人,唯有能自我認知、追求新知、探索理性才不致迷失在科技橫流的環境中。

 

High Tech High Touch: Technology and Our Search for Meaning Hardcover  高科技 高思維:技術與我們對意義的追求

尋找精神道路的過程中,我們對技術的沉浸感引人入勝,奈斯比特解決了複雜的問題:技術是將我們從物理世界的束縛中解放出來,還是將我們束縛在機器上?它是在我們的日常生活中節省了我們的時間,還是僅僅創造了一個讓我們感到不得不承擔更多任務和責任的空缺?生物技術的進步如何?基因工程的最新發展現在提高了未來的可能性,即有朝一日,我們今天的生活中會出現出生缺陷、殘疾和疾病。但在這樣一個可能的時代,什麼是自然的,什麼是人工的?當人可以在實驗室中像在子宮中一樣容易地被創造出來,那麼,成為人類的真正意義是什麼?

從計算機、互聯網和電信的信息和機器技術到正在改變生物科學和藝術的基因技術,高科技/高接觸揭示了我們對命運的新興力量——以及對道德指南針的需求指導我們。可以迎來一個世紀,在這個世紀裡,這些問題將變得更加及時,高科技/高接觸巧妙地探索了我們正在創造的世界和即將到來的世界。

     

讓科學與神學對話

 現在,有許多科學家在談論這些新科技,但是其他人討論的不多。 所以,我們應該有更多的公共論壇,讓科學家、神學家、還有其他人一起參與討論如何應用新科技。現在的媒體對科技的報導不遺餘力,但常常只訪問科學家,忽視其他人的意見。《時代》雜誌最近有一篇封面故事,對生物科技做了深入的報導,但同樣只訪問科學家。其實生物科技會影響每個層面,所以應該製造更多的機會,讓各界人士參與討論。