3月19日，材料領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·材料》，發(fā)表復(fù)旦大學(xué)修發(fā)賢團(tuán)隊(duì)最新研究論文，《外爾半金屬砷化鈮納米帶中的超高電導(dǎo)率》，制備出二維體系中具有目前已知最高導(dǎo)電率的外爾半金屬材料-砷化鈮納米帶。
導(dǎo)電材料是電子工業(yè)的基礎(chǔ)，現(xiàn)在最主要的材料是銅，已大規(guī)模用于晶體管的互連導(dǎo)線。信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)和智能設(shè)備體積越來(lái)越小，信號(hào)傳輸量爆炸式增長(zhǎng)，芯片中上千萬(wàn)細(xì)如發(fā)絲的晶體管互連導(dǎo)線“運(yùn)送壓力”隨之加大。而當(dāng)銅變得很薄，進(jìn)入二維尺度時(shí)，電阻變大，導(dǎo)電性迅速變差，功耗大幅度增加。這也是制約芯片等集成電路技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要瓶頸。修發(fā)賢團(tuán)隊(duì)新研制的砷化鈮納米帶材料，電導(dǎo)率是銅薄膜的一百倍，石墨烯的一千倍。
復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授修發(fā)賢：我們利用了氯化鈮，利用了砷還有氫氣三種元素把它們放在一起進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來(lái)制備這種砷化鈮納米帶，這種材料它表面有一個(gè)表面態(tài)，這個(gè)表面態(tài)就允許電子在上面快速地通行，可以說(shuō)是我們創(chuàng)造了一個(gè)綠色的通道，這樣的話，在低維尺度下，就可以讓電子快速通過(guò)而降低能耗。
同時(shí)，區(qū)別于超導(dǎo)材料只能在零下幾十度超低溫下應(yīng)用，新材料砷化鈮的高電導(dǎo)機(jī)制即使在室溫下仍然有效。這一發(fā)現(xiàn)也為材料科學(xué)尋找高性能導(dǎo)體提供了一個(gè)可行思路，在降低電子器件能耗等方面有重大價(jià)值。
復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授修發(fā)賢：我們的手機(jī)發(fā)熱、電腦發(fā)熱是有兩個(gè)原因，晶體管本身的發(fā)熱和電流流經(jīng)這些（互連）導(dǎo)線所產(chǎn)生的導(dǎo)線發(fā)熱，那我們現(xiàn)在要解決的問(wèn)題就是導(dǎo)線的發(fā)熱，我們的這個(gè)材料就可以在這一方面有所用途。
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“我國(guó)制造業(yè)整體升級(jí)，追根溯源，要從基礎(chǔ)材料、核心器件和生產(chǎn)工藝上真正實(shí)現(xiàn)升級(jí)，這方面核心能力必須牢牢攥在中國(guó)人手里！”全國(guó)政協(xié)委員、北京工業(yè)大學(xué)激光院院長(zhǎng)王璞接受科技日?qǐng)?bào)記者專訪時(shí)說(shuō)：“核心材料、核心器件和核心技術(shù)是民族工業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展之基?！?/p>
以他主要研究的高功率光纖激光技術(shù)為例，核心器件和核心材料涉及特種光纖的拉制，就需要進(jìn)口高純度石英棒材及氣源，“或者我們技不如人，或者成本降不下來(lái)，總之是被卡著脖子?！?/p>
本報(bào)深入調(diào)查發(fā)現(xiàn)，王璞委員提出的問(wèn)題，是基礎(chǔ)材料學(xué)界和新材料應(yīng)用產(chǎn)業(yè)界共同憂心的問(wèn)題。
比如，一噸陰極銅，市場(chǎng)價(jià)5萬(wàn)元；國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家用這噸原銅制造的、芯片用引線框架C19400銅材，進(jìn)口價(jià)高達(dá)10萬(wàn)元一噸！每噸5萬(wàn)元差價(jià)，差在哪？
北京有色金屬研究總院從事銅合金材料研究開(kāi)發(fā)的專家王強(qiáng)松教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者，傳統(tǒng)C19400引線框架材料，生產(chǎn)工藝流程除了熔鑄和成型及退火環(huán)節(jié)外，固溶和時(shí)效熱處理則是獲得優(yōu)異性能的關(guān)鍵工序，通過(guò)關(guān)鍵控制可以獲得材料抗拉強(qiáng)度500MPa，導(dǎo)電率60％—65％IACS，是目前國(guó)內(nèi)引線框架材料主流產(chǎn)品，市場(chǎng)容量保守估計(jì)在10萬(wàn)噸—15萬(wàn)噸/年。
“C19400是基礎(chǔ)工業(yè)材料的一個(gè)典型代表，但并非不可替代。”王強(qiáng)松說(shuō)：“我們從理論出發(fā)，一直尋找?guī)в小T造基因’的改性材料。從2017年底開(kāi)始，我們團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，加了氣凝膠納米顆粒的新型銅材，抗拉強(qiáng)度保持500MPa的同時(shí)，導(dǎo)電率至少提高10％—15％，同時(shí)工藝工序控制難度下降，制造成本下降幅度也達(dá)每噸2000—3000元?！?/p>
他認(rèn)為，氣凝膠納米顆粒將銅改性到這種程度，可以稱做顛覆性技術(shù)突破。他正在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的這一技術(shù)方法，已經(jīng)引來(lái)美國(guó)市場(chǎng)情報(bào)機(jī)構(gòu)的多輪打探，而相關(guān)工藝因投資大、風(fēng)險(xiǎn)高，尚未順利完成中試流程固化，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化之路卻艱難重重。
王強(qiáng)松提到的核心材料氣凝膠，被《科學(xué)》雜志列為全球最具潛力十大新材料之一。作為世界上最輕的固體、導(dǎo)熱系數(shù)最低的材料，其在熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)等領(lǐng)域顯示了奇特的特性，是具有巨大應(yīng)用價(jià)值的軍民兩用新材料。
全球氣凝膠最大生產(chǎn)廠家阿斯彭氣凝膠公司隸屬于美國(guó)國(guó)家航空航天局，其昂貴的產(chǎn)品主要應(yīng)用在航天、軍事和石油領(lǐng)域。
受邀入駐中關(guān)村軍民融合產(chǎn)業(yè)園的氣凝膠本體材料生產(chǎn)企業(yè)弘大科技董事長(zhǎng)李光武介紹說(shuō)，目前氣凝膠原材料的全球產(chǎn)能只有6萬(wàn)立方米/年，國(guó)產(chǎn)全套獨(dú)立自主設(shè)計(jì)研發(fā)的全過(guò)程國(guó)產(chǎn)化設(shè)備產(chǎn)能可達(dá)1萬(wàn)立方米/年，投資卻只有阿斯彭的二十分之一，已打破國(guó)外專利封鎖。
李光武對(duì)國(guó)外情報(bào)機(jī)構(gòu)探聽(tīng)氣凝膠下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線十分警惕。他說(shuō)，即便申請(qǐng)的多國(guó)專利，但用其提升高性能改性銅等工業(yè)材料深加工產(chǎn)品時(shí)，仍面臨的因低端產(chǎn)能路徑依賴而出現(xiàn)的升級(jí)卡頓現(xiàn)象，“神奇材料”的巨大價(jià)值無(wú)法短期內(nèi)獲得體現(xiàn)。
“有時(shí)技術(shù)路線就是一層窗戶紙，在我們已經(jīng)掌握時(shí)，更需要快馬加鞭，才能占領(lǐng)下一輪新材料產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)，擺脫被卡脖子的宿命。”王強(qiáng)松頗感焦慮。
王璞委員認(rèn)為，氣凝膠等新材料與石墨烯一樣，其優(yōu)良特性不斷被發(fā)現(xiàn)，應(yīng)受到充分重視，獲得從國(guó)家戰(zhàn)略政策制定到研究體系設(shè)計(jì)，從資金精準(zhǔn)投入到用戰(zhàn)略眼光扶持產(chǎn)業(yè)對(duì)接升級(jí)等系統(tǒng)支持。
導(dǎo)電材料簡(jiǎn)介：
導(dǎo)電材料包含導(dǎo)電塑料和導(dǎo)電橡膠。是將樹(shù)脂和導(dǎo)電物質(zhì)混合，用塑料的加工方式進(jìn)行加工的功能型高分子材料。主要應(yīng)用于電子、集成電路包裝、電磁波屏蔽等領(lǐng)域。導(dǎo)電橡膠是將玻璃鍍銀、鋁鍍銀、銀等導(dǎo)電顆粒均勻分布在硅橡膠中，通過(guò)壓力使導(dǎo)電顆粒接觸，達(dá)到良好的導(dǎo)電。
