一文了解3大类信息电子材料及重要研究进展

信息电子材料主要是指使用在微电子和光电子技术领域以及新型元器件基础产业的材料，一般划分成集成电路及半导体材料、光电子材料、新型电子元器件材料三个大类，涉及微电子材料、介电材料、压电材料、传感器材料、能源电池材料、光电材料和有机电子材料等。其中有很多材料都涉及到纳米化问题，以实现灵敏度、集成程度或其他性质上的提升。信息电子用材料与器件的纳米化，体现了该产业发展过程中对器件更高性能的不断追求。

集成电路及半导体材料

用于集成电路和微电子技术的半导体器件中最重要的就是晶体管。晶体管制程越小，同体积芯片上可以集成的晶体管就越多，这样芯片的性能就越强，功耗越小。而晶体管制程的大小是以晶体管栅极的宽度来衡量的。传统的硅基晶体管栅极的理论最小值大约为5nm，工业上量产的基本都是硅基纳米晶体管，不过近期的研究中也有一些非硅材料纳米晶体管出现。

此前，美国威斯康辛大学麦迪逊分校宣布，首次实现了碳纳米管晶体管性能超越硅基晶体管，其性能是硅晶体管的1.9倍。美国劳伦斯伯克利实验室也宣布，由该实验室科学家Ali Javey领导的研究团队已经制作出了具有1nm栅极（gate）的晶体管，此项研究的关键是使用了碳纳米管和二硫化钼（MoS2）材料，其中用碳纳米管作为栅极材料，因而突破了硅晶体管的制程理论极限。

光电子材料

光电子材料是发展光电信息技术的基础，主要包括激光材料、红外探测材料以及光纤材料等。可以将光电子材料制成纳米态以满足特殊应用需要或者使相关器件获得新的性能。

1.纳米激光材料

激光材料是把各类泵浦能量转换成激光的材料，对于激光器来说是工作材料。在激光器上有时要使用纳米级材料制备的元件以提高其性能。

此前，澳大利亚国立大学研究发现通过向纳米激光器中添加锌原子可以显著改善激光器的性能。这种激光器的直径为纳米级，由砷化镓制成。美国劳伦斯伯克利国家实验室宣布发现了一个简单的新方法可以生成纳米线，该纳米线能够用来制作纳米尺度的线材以及色彩可调谐的纳米级激光发生器。

2.纳米红外探测材料

红外探测器就是通过光电转换把目标的红外热辐射信息转化为可度量的电学信息，从而在夜晚实现热辐射信息可视化的仪器。红外探测对于现代战争极为重要，我国进行了很多该领域纳米材料的研究。

此前，中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室在新型纳米线红外光电探测器研究中取得进展，他们成功制备的单根纳米线场效应晶体管实现了宽谱快速红外探测。

3.纳米光纤材料

光纤，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而实现光传导的工具，是光通讯的基础。在其中加入纳米材料或纳米结构，就形成了纳米光纤材料。

此前，美国飞博盖德公司宣布已获得美国TelAztec公司独家授权，从而研发光纤电缆用的“蛾眼减反射”纳米结构。与传统的抗反射镀层相比，飞博盖德“蛾眼减反射”纳米结构光纤产品具有极高的耐久性和高效的抗反射表面，易于清理并拥有优异的损伤阈值。

新型电子元器件材料

新型电子元器件材料具有小型化的发展趋势，主要包括：纳米磁性材料、纳米电子陶瓷材料、纳米电池材料和纳米信息传感材料等领域。

1.纳米磁性材料

一般情况下，磁性材料是指由过渡金属元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。按磁化后去磁的难易程度可分为软磁和硬磁两类。磁化后容易去掉磁性的叫软磁性材料，不容易去磁的叫硬磁性材料。目前，永磁材料具有高矫顽力、高磁能积、高剩磁的发展趋势。

此前，日本东北大学联合日本电磁材料研究所等研究机构通过混合铁钴合金纳米磁性颗粒和氟化铝制备而成透明强磁性薄膜材料，有望应用于汽车、飞机等下一代透明磁性设备上。我国也在纳米磁性材料领域取得了一定的进步。中科院宁波材料所的研究团队开发了一种可宏量制备硬磁纳米颗粒的方法，利用NaCl颗粒作为FePt纳米颗粒成核和生长的介质，抑制团聚的发生，颗粒尺寸可在6.2-15 nm调控，矫顽力可在3.15-21.5 kOe调控。

2.纳米电子陶瓷材料

电子陶瓷是指在电子工业领域可以利用电、磁性质的陶瓷，通常情况下，可通过对表面、晶界和尺寸结构的精密控制而获得新的功能。

此前，荷兰特文特大学研究团队开发了一种新型陶瓷材料，具有纸一般的柔性和聚合物材料的轻盈，同时仍能保持超高的耐高温性，并被称为柔性陶瓷，有望成为新型电子设备的基质材料。该材料的制备采用了陶瓷纳米纤维工艺，在1200℃下连续加热24小时不会燃烧和融化。

3.纳米电池材料

目前，电池材料朝着高比能、长寿命、轻型化的方向发展，而锂离子电池广泛应用于电子设备、新能源汽车等领域，商品化程度极高。电池材料主要包括正极材料、负极材料和隔膜等，其中电极材料可制备成纳米态，以提高电池整体性能。

此前，美国加州大学河滨分校开发出一种新型硅-锡纳米负极材料，大幅增加锂离子电池充放电循环次数。与石墨基负极材料相比可提高3倍的充电容量，经过多次循环硅-锡纳米复合负极材料仍能保持出色的循环稳定性，延长了电池的使用寿命。使用硅-锡纳米复合负极材料配以简单的制造工艺，可扩大锂离子电池在下一代电动汽车领域的应用。

4.纳米信息传感材料

传感器是指能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

此前，日本物质•材料研究机构和美国麻省理工学院联合开发了一种碳纳米管化学传感器可以集成到智能手机上探测有毒气体,可通过电导率变化检测毒气。