南京大學攻克手機電腦怕熱難題 成果發表在權威雜誌

　　2018-02-06 14:05:19　來源: 澎湃新聞(上海)

　　微信公號「南京大學」

　　在我們的日常生活中，小夥伴們或許會遇到手機電量充足卻自動關機，打電腦遊戲的關鍵時刻電腦卻突然關機或藍屏的情況，那是因為他們「太熱」啦！

　　我們都知道手機和電腦等電子產品里有大量的運算和存儲元件，一般來說，這些電子元件的工作溫度均不能超過125℃，一旦超過了這個溫度這些元件就會出現計算結果出錯和數據丟失的狀況。因此為了避免這種情況發生，電子工程師們都會在手機和電腦里設置一個高溫保護機制：一旦溫度過高就自動切斷電源。手機和電腦中的電子元件在工作時會產生額外的熱量，尤其是在玩遊戲時，電子元件的高負荷運轉會導致其溫度迅速升高，最終引發高溫保護。

　　事實上，電子元件「怕熱」的問題一直都在困擾著電子工程師們。例如，在航天航空、軍事、地質勘探和石油天然氣鑽井等行業中，電子元件需要面臨更加極端的溫度環境，它們被要求能夠在300℃以上的高溫下穩定工作。由於傳統的電子元件都無法在這麼高的溫度下工作，工程師們往往依賴於冷卻系統來為他們進行降溫。這樣雖然能夠保證電子元件的正常工作，額外配置的冷卻系統會很大程度上增加成本和能耗，降低可靠性。因此，科學家和工程師們都在努力地研究「不怕熱」的電子元件。

　　近日，一支由南京大學繆峰教授帶領的研究團隊研發出了一種「不怕熱」的電子元件，並在《自然·電子學》（Nature Electronics）雜誌上發表了他們的工作。

　　

　　繆峰的研究團隊研究的這類電子元件叫做憶阻器（記憶電阻），顧名思義，它是一種基於「記憶」外加電壓或電流歷史而動態改變其內部電阻狀態的電阻開關，是一種運算和存儲元件。由於擁有超小的尺寸，極快的擦寫速度，超高的擦寫壽命，多阻態開關特性和良好的CMOS兼容性，憶阻器被業內視為傳統運算和存儲元件的潛在代替者和可應用在未來人工智慧（神經形態計算）技術的重要候選者。

　　繆峰教授和同事們選取了兩種二維原子晶體材料：硫氧化鉬（氧化二硫化鉬）和石墨烯分別作為憶阻器的介質層和電極材料，製備了三明治結構的范德華異質結。測試結果顯示這種基於全二維材料的異質結能夠實現媲美傳統憶阻器的穩定開關：可擦寫次數超過千萬次（已經超過了我們平時用的U盤了哦(??????)??），擦寫速度小於100納秒，並且擁有很好的非揮發性。團隊發現該結構的憶阻器能夠在高達340℃的溫度下穩定工作並且保持良好的擦寫性能。可以想象，如果我們把它應用於手機和電腦等電子產品中，用戶將不用擔心溫度過高的問題；應用於極端環境的行業中，也能夠讓工程器械擺脫對冷卻系統的依賴。

　　團隊和南京大學現代工程與應用科學學院的王鵬教授課題組合作，還利用透射電子顯微鏡進行了深入研究，發現該憶阻器的耐熱性來源於硫氧化鉬晶體超高的熱穩定性，並進一步揭示了這類器件中基於氧離子遷移的工作機制。研究結果顯示，這類憶阻器在擦寫過程中一直被具有超高熱穩定性的單晶石墨烯和層狀硫氧化鉬很好地保護著，保證了高溫擦寫過程中的穩定性。

　　這項研究工作不僅展示了二維層狀材料異質結構在憶阻器領域中的巨大應用前景，對未來極端環境下電子元件的設計與研究有著重要的指導意義；同時也指出，因為二維材料異質結構可以結合不同二維材料的優異性質，也給人們提供了一種解決其它領域電子器件技術挑戰的可能的通用途徑。