赋予电子器件智慧的新型功能材料

材料牛注：如果能将硅芯片植入LED显示屏，那么以后的电脑是不是只有一个屏幕了？听起来跟平板电脑差不多，但是，北卡州立大学Narayan教授及其团队似乎打算为LED集成电路赋予人工智慧，致力于实现智能化照明。

来自北卡州立大学和美国陆军研究办公室的研究者合作研发了一种方式使电脑芯片与新材料整合，创造新型智能设备和系统。

新型功能材料的种类有：氧化物，包括之前无法集成于硅片的多铁性材料，该材料同时有铁电性和铁磁性；拓扑绝缘体——虽然整体呈绝缘性但是表面上却具导体性；以及新型铁电性材料。这些材料被认为能在以下方面得到应用，比如感应器，非易失性的电脑内存以及微电机系统（MEMS）。

“这些新型氧化物并不与计算设备的材料适配。”Jay Narayan说道，他是北卡州立大学的教授兼该研究论文的合著者，“我们现在有能力将这些新材料整合在硅片上，那样我们才能让它们电子设备上发挥作用。”

研究者提出的方法是在两个平台上整合新材料，这两类平台都是和硅适配的：一是氮化钛平台，用于氮化物基的电子设备；二是氧化钇稳定氧化锆平台，用于氧化物基的电子设备。

研究者还特别研发了一系列起到缓冲器作用的薄片，令硅片和相关的新材料产生连接。根据使用材料的种类不同，薄片之间精准的连接也会发生变化。比如，如果使用多铁性材料，研究者会用四种不同的薄片建立连接：氮化钛，氧化镁，氧化锶和镧锶锰氧化物。如若是使用拓扑绝缘体，两种薄片即可：氧化镁和氮化钛。

而这些薄片缓冲器将新型氧化物的晶面与基板相匹配，形成材料之间高效的连接层。基于领域匹配外延的概念，这个方法被因此称为薄片外延，于2003年第一次被Narayan发表在论文中。

“由于这些新材料与硅片的整合，很多事情也变成了可能，”Narayan声称，“举例而言，我们自己便能感应或者收集数据，操纵数据，甚至计算出最合适的应答——所有这些通过一个简洁的芯片得以做到。非常适用于制作更快，更高效但更轻便的设备。”Narayan还提出，另一个潜在的领域是将硅片植入LED，以实现“智能照明”。然而，现有的LED使用蓝宝石衬底，目前并不能直接和计算机设备发生适配。

“我们已为这项集成技术申请了专利，现在就等待着授权给工业合作伙伴。”Narayan这么说道。

原文参考链接：Integration of novel materials with silicon chips makes new 'smart' devices possible

文献链接：Multifunctional epitaxial systems on silicon substrates （Applied Physics Reviews, 2016; 3 (3): 031301 DOI: 10.1063/1.4955413 ）

本文由编辑部曾庆辉提供素材，张轶洁编译，点我加入材料人编辑部。