硅材料的案例
總投資80億元 山東德州集成電路用大尺寸硅材料項目簽約
經過十余年發展，公司完成了從單一研究機構向產學研相結合的大型生產性實體的轉變，成為中國半導體硅材料領域技術水平最高、生產規模最大和具有國際水平的半導體硅材料研究、開發、生產基地。
來源：齊魯網
助力德國鐵路順暢運行 3D打印解鎖有機硅材料新應用
2015年，德國鐵路股份公司推出了覆蓋全公司的3D打印項目， 其中一項用于安裝在列車制動器控制閥內的膜片，厚度只有4毫米，對材料的強度和柔韌性要求非常高。在反復的市場篩選過程中，德國鐵路公司選中了瓦克的品牌ACEO?，他們的有機硅材料和3D打印技術非常符合膜片制品的要求。
采用ACEO? 3D打印工藝制造的硅橡膠膜片
ACEO? 的有機硅材料何以得到要求嚴苛的德國鐵路股份公司的青睞？有機硅又是如何跟3D打印發生關系的？
有機硅學名叫聚二甲基硅氧烷，是一類主鏈由硅氧原子交替而成的聚合物的總稱。據瓦克化學高級技術經理柳麗君介紹，“有機硅材料源自大自然的硅礦（砂石），與大多數源于原油的合成橡膠相比，有機硅的硅-氧鏈結構相比碳-碳鏈具有更高的鍵能， 能耐受更高的溫度及UV輻射等環境老化。其自由旋轉的側鏈結構更可使這種材料在低至-50攝氏度環境中仍然保持柔軟的特性。此外，由于配方中沒有添加任何增塑劑，有機硅材料具有良好的食品安全性及生物相容性，可以廣泛應用于食品接觸或醫療器械等，這也是很多合成橡膠所無法比擬的。“
有機硅的卓越性能是得到德國鐵路股份公司認可的很重要的前提。當然，這還跟瓦克化學在有機硅3D打印的提前布局密不可分。
打造全球首家3D打印彈性體服務網絡商店
3D打印技術與有機硅材料結合，使得許多傳統注塑無法滿足的需求得以實現，比如在交通運輸或機械設備等工業領域以及醫療領域，快速建模、產品小批量生產以及按需生產備件都非常重要。
基于這樣的市場需求，瓦克化學在2016德國國際橡塑展上展出推出了全球首臺可工業用的有機硅3D打印機，同時開創了一種新的商業模式——為所有涉及彈性體的3D打印服務創立了ACEO?品牌，因此，瓦克化學成為全球第一家通過3D打印工業化生產彈性體的公司。
展開 MIT 研究人員新發現：利用石墨烯，制備各種非硅半導體材料
目前，絕大多數的計算機設備均是由硅材料制備而來。硅元素是地球上既氧元素之后，儲量第二豐富的元素。它以各種不同的形式，廣泛存在于巖石、砂礫以及塵土之中。硅雖然不是最好的半導體材料，但它是迄今最容易獲取的半導體材料。由此，硅材料在電子器件領域占據主要地位，比如傳感器、太陽能電池以及集成電路等。
砷化鎵、氮化鎵以及氟化鋰等材料的性能勝過硅材料，但是目前用它們制備功能器件，成本仍十分高昂。而現在，MIT 的研究人員開發了一種新技術，可制備多種超薄的非硅半導體薄膜，比如砷化鎵、氮化鎵以及氟化鋰柔性薄膜。研究人員表示，利用該技術，可制備任意半導體元素組合的柔性電子器件，并且成本低。
圖︱MIT 研究人員利用二維材料，制備單晶復合半導體，并可以從柔性襯底上剝離。該技術可制備非硅半導體，成本低，為柔性電子器件以及晶片的重復利用奠定了基礎（來源：Wei Kong and Kuan Qiao）
MIT 機械工程系、材料科學與工程系的助理教授 Jeehwan Kim 表示，他們開創了一種制備柔性電子器件的新方式，可利用多種不同的非硅材料體系。他認為該方法可用于制備低成本、高性能的器件，比如柔性太陽能電池以及可穿戴式計算機和傳感器等。
10 月 8 日，該技術相關的詳細信息發表在《Nature Materials》期刊上。該項研究得到了美國國防高級研究計劃局、能源部、美國空軍實驗室、LG 電子、Amore Pacific、LAM Research 以及 ADI 公司的部分支持。
可見、又不可見的石墨烯？
2017 年，Kim 團隊發明了一種利用石墨烯（只有一個原子厚, 碳原子組成六角型呈蜂巢晶格），“復制”昂貴半導體材料的方法。
他們發現，把石墨烯堆疊在純凈且昂貴的半導體材料晶片上（比如砷化鎵），鎵、砷原子會“涌出”到石墨烯層上繼續生長。
展開 研討會摘要 有機硅材料在汽車里面用的應用
上周五
陶氏
辦了兩場技術研討會《
陶氏有機硅用于ADAS封裝
》和《
陶氏公司有機硅解決方案助力新能源汽車三電
》，我摘錄一些有價值的內容給各位讀者參考。
1）ADAS和xEV領域 應用為什么選擇有機硅
在ADAS應用方面，其實有一些底層的需求，主要是我們的感知器件和運算平臺都需要進行密封盒組裝，從材料角度在這個過程中有幾個方面，具體來看有機硅材料的特性主要包括
溫度范圍寬，在高低溫下都有很高的穩定性（-45-200度）：從高溫來看是耐高溫，在寬溫度范圍保持彈性性能，而在低溫下，典型的有機硅的轉變溫度低于-100℃
彈性模量的抗振動：有機硅材料在高填料含量下保持柔韌性，低模量有利于用于應力消除，減震和減震
電氣絕緣特性好、耐環境防水防潮，具有出色的防潮/耐水性
阻燃特性具備優異的阻燃性能
熱管理方面具備了高電導率和低熱阻
圖1 封裝材料特性
在實際使用中，不管是超聲波雷達、毫米波雷達攝像頭和激光雷達等感知器件，還是域控制器為代表的運算平臺，都廣泛使用有機硅材料進行密封或者導熱材料。
圖2 ADAS方面的應用
在這三個方向上，主要包括導熱應用（導熱填充、導熱硅脂和導熱粘接劑），防護應用（密封、三防和灌封膠）和電磁屏蔽的作用。
隨著目前汽車算例的軍備競賽的開始，車載芯片的散熱設計是一個很大的挑戰，需要通過導熱技術把熱量盡快帶出。
展開 
硅材料在鋰電池中的應用
硅負極的優勢在哪里
石墨的理論能量密度是372 mAh/g，而硅負極的理論能量密度超其10倍，高達4200mAh/g，而且還具有環境友好、儲量豐富等特點， 通過在石墨材料加入硅來提升電池能量密度已是業界公認的方向之一，日韓等大電芯廠商都在做硅碳負極電池的商業化，包括比亞迪、力神、比克、萬向等國內電池廠商也在跟蹤，但是至目前為止還沒有看到量產的產品。特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統石墨負極材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mAh/g以上，特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統石墨負極材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mAh/g以上。
硅材料在鋰電池的應用
硅材料在鋰離子電池中的應用，主要涉及兩方面，一是在負極材料中加入納米硅，形成硅碳負極，二是在電解液中加入有機硅化合物，改善電解液的性質。
(一)納米硅：鋰電負極材料的重要成員
納米硅，指的是直徑小于5納米的晶體硅顆粒，是一種重要的非金屬無定形材料，常由溶膠凝膠法等方法制備而成。納米硅粉具有純度高、粒徑小、分布均勻、比表面積大、高表面活性、松裝密度低等特點，且無毒、無味。 納米硅的應用領域廣泛：①與石墨材料組成硅碳復合材料，作為鋰離子電池的負極材料，大幅提高鋰離子電池的容量，這是我們關注的重點;②用于制造耐高溫涂層和耐火材料;③與金剛石高壓下混合形成碳化硅-金剛石復合材料，用做切削刀具;④可與有機物反應，作為有機硅高分子材料的原料;⑤金屬硅通過提純制取多晶硅;⑥半導體微電子封裝材料;⑦金屬表面處理。
(二)有機硅：鋰電電解液的功能添加劑
有機硅，是一類人工合成的，結構上以硅原子和氧原子為主鏈的一種高分子聚合物。由于構成主鏈的硅-氧結構具有較強的化學鍵結，因此有機硅高聚物的分子比一般有機高聚物對熱、氧穩定得多。
展開 臺積電祭出“半金屬”取代硅材料
導讀：
近日，美國《自然》雜志公布了由
臺積電、臺灣大學與麻省理工學院共同研發的半導體新材料——鉍（Bi），有望成為突破摩爾定律1nm極限的新材料。
圖：《自然》網站刊載的文章
由上述三方研發的這項研究成果已在《Nature》期刊上發布，首度提出利用半金屬鉍（Bi）作為二維材料的接觸電極，可大幅降低電阻并提高電流，使其效能幾與硅一致，有助實現未來半導體1nm的制程。
而這項成果的發布，距離IBM秀出2nm芯片還不到半個月。
圖：量子隧穿效應示意圖
值得一提的是，半導體硅基材料芯片的制程工藝指標，在1997年之后就開始有些“變味兒”了：1999年奔騰III時期的250nm工藝，已經不再適用「晶體管gate長度」定義。
美國英特爾x86架構7nm芯片深陷“難產”大坑，但真正量產后有望“搏一下”臺積電的5nm制程；臺積電嘗試以“鉍”材料推進1nm技術，則在直面“量子隧穿效應”問題（業內俗稱“漏電”）！
據報道，此項技術融合了多方智慧的結晶。
圖：臺積電和臺灣大學團隊
據悉，MIT團隊首先發現在二維材料上搭配半金屬鉍（Bi）的電極，能大幅降低電阻并提高傳輸電流。
隨后臺積電技術研究部門將鉍（Bi）沉積制程進行優化，臺灣大學團隊并運用氦離子束微影系統將元件通道成功縮小至納米尺寸，最終這項研究成果獲得了突破性的進展。
圖：大部分半導體采用硅材料
目前，半導體主流制程主要采用硅作為主流材料。然而，隨著摩爾定律不斷延伸，芯片制程不斷縮小，芯片單位面積能容納的電晶體數目，也將逼近半導體主流材料硅的物理極限。
展開 短時間內，硅是否能被新半導體材料替代？
小結
在功率半導體中,碳化硅和氮化鎵已經成為了國家戰略的一部分,被寫入了我國十四五的產業科技創新相關發展規劃當中,而在芯片半導體方面,由于硅的工藝已經發展到極其精密的程度,其他半導體很難在短時間內趕上,所以目前硅還是無可替代的,但人們依然能通過選取更薄的新型溝道材料,比如二硫化鉬、二硫化鎢、碳納米管等來進一步縮小制程,總之,不管是未來可期的二維半導體、前途光明的氮化鎵和碳化硅，還是以后可能出現的、有能力完全替換掉硅的新半導體,想要替代硅成為下一代半導體材料繼承者就必須和當初的硅一樣解決價格和制造工藝的問題。
參考資料：
1.《硅的替代者，新型半導體取得突破》，半導體行業觀察；
2.《硅快到極限了，哪種新材料能扛起半導體行業的大梁？》，量子位；
3.《硅片：半導體最重要基礎材料》，樂晴智庫精選；
4.《芯片的材料基石——半導體硅片產業淺析》，華西證券股權專家
展開 科學家用硅材料3D打印出新型生物反應器 或讓肢體再生
科學家使用硅材料3D打印這種生物反應器，在里面填充水凝膠。他們在水凝膠中加入促進愈合和再生的蛋白質，然后加入黃體酮。黃體酮已被證實可以促進神經、血管和骨組織修復。
研究人員將這些爪蛙分成了3組：實驗組、控制組和對照組。在控制組和對照組中，當爪蛙被截肢后，立即對它們縫合了生物反應器。而在實驗組爪蛙中，不僅縫合了生物反應器，還要求生物反應器將黃體酮釋放到截肢部位。24小時之后，所有爪蛙都被移除了生物反應器。
他們在9.5個月的時間里不同時間段，實驗組爪蛙的生物反應器似乎引發了某種程度的肢體再生，但在其他兩組中未觀察到該現象。
Michael Levin說：“生物反應器將對截肢傷口創建一個支持性環境，身體組織可以像胚胎階段那樣生長發育。非常短暫的生物反應器應用，載荷物質將引發幾個月的組織和結構生長。”
此外，不同于控制組和對比組，接受生物反應器治療的實驗組爪蛙的再生肢體更結實，骨骼更發達，神經和血管組織分布更廣泛。通過分析水池中爪蛙的視頻，他們注意到再生肢體爪蛙游動狀況更接近正常未截肢爪蛙。
RNA測序和轉錄組分析表明，生物反應器改變了截肢部位細胞中的基因表達。基因涉及氧化應激、血清素激活信號和白細胞活躍上調，而其他一些與信號相關的基因則下調。
同時，研究人員還觀察到，經過生物反應器處理過的爪蛙出現結疤和免疫反應下調，這表明身體添加黃體酮抑制了身體對損傷的自然反應，從而有利于再生過程。
據悉，萊文實驗室將繼續以誘導脊髓再生和腫瘤重編程的生物電過程為目標。同時，他們希望在哺乳動物身體上復制這種生物反應器實驗。
展開 一文看懂芯片材料基石——硅
硅材料根據晶胞的排列方式不同，分為單晶硅和多晶硅。單晶硅和多晶硅最大的區別是單晶硅的晶胞排是有序的，而多晶硅是無序的。在制造方法方面，多晶硅一般是直接把硅料倒入坩堝中融化，然后再冷卻而成。單晶硅是通過拉單晶的方式形成晶棒（直拉法）。在物理性質方面，兩種硅的特性相差較大。單晶硅導電能力強，光電轉換效率高，單晶硅光電轉換效率一般在 17%~25%左右，多晶硅效率在 15%以下。
▲半導體硅片和光伏硅片
▲單晶硅晶胞結構
光伏硅片：由于光電效應，且單晶硅優勢明顯，所以人們使用硅片完成太陽能到電能的轉換。在光伏領域使用的一般為圓角方形的單晶硅電池片。價格較便宜的電多晶硅片也有使用，但轉換效率較低。
▲單晶硅電池片正反面
▲多晶硅電池片正反面
由于光伏硅片對純度、曲翹度等參數要求較低，所制造過程相對簡單。以單晶硅電池片為例，第一步是切方磨圓，先按照尺寸要求將單晶硅棒切割成方棒，然后將方棒的四角磨圓。第二步是酸洗，主要是為了除去單晶方棒的表面雜質。第三步是切片，先將清洗完畢后的方棒與工板粘貼。然后將工板放在切片機上，按照已經設定好的工藝參數進行切割。最后將單晶硅片清洗干凈監測表面光滑度，電阻率等參數。
半導體硅片：半導體硅片比光伏硅片的要求更高。首先，半導體行業使用的硅片全部為單晶硅，目的是為了保證硅片每個位臵的相同電學特性。在形狀和尺寸上，光伏用單晶硅片是正方形，主要有邊長 125mm，150mm，156mm 的種類。而半導體用單晶硅片是圓型，硅片直徑有 150mm（6 寸晶圓），200mm（8 寸晶圓）和 300mm（12 寸晶圓）尺寸。
展開 《ACS AEM》：一種無害簡便方法實現硅負極材料大規模制備！
，以水溶性聚合物羧甲基殼聚糖和納米硅為前驅體，采用一步噴霧干燥法制備了多尺寸三維微球硅負極材料。
東南大學陶立教授Chem Soc Rev共同通訊專家綜述： 硅烯及其衍生二維材料與器件
二維X-烯（Xene）是一類新型的二維電子材料。與石墨烯相比，具有非平面折疊蜂窩狀的原子結構和更大的元素質量，因而具有強很多的自旋-軌道耦合，能表現出超越石墨烯的獨特物理性質，是研究低維量子物理和新奇拓撲效應的理想材料體系。硅烯是二維X-烯的新生代表，六元環中三個硅原子與其余三個分處在具有垂直位移的兩個水平平面上，即存在豎直方向上的位移。近幾年的理論計算認為這一豎直位移導致硅烯在外部場和表面相互作用下可呈現純平面石墨烯難以達到的特殊物理特性，包括量子自旋霍爾效應、巨磁電阻和應變相關熱傳導。盡管硅烯的這一特殊結構早在20多年前（先于石墨烯）已經被預測，并且2012年硅烯在銀（111）單晶上的外延生長獲得成功，但是其器件物理的實驗工作進展緩慢。這主要是因為作為介穩材料的硅烯極其不穩定，即使在有氧化鋁覆蓋薄膜的情況下，一旦離開作為外延生長基底的銀，會迅速失穩蛻變。這使得石墨烯或其他二維材料廣泛使用的蝕刻轉移和器件制造工藝對硅烯不適用。由此反映出X-烯在常溫常壓下的穩定性和器件制作工藝的可移植性是亟需解決的技術難題。
展開 
：硅基生物界面材料，非遺傳光控神經調制
除了結構控制外，作者們還提出了一系列化學合成調控的方法，包括硅摻雜濃度梯度，結晶性控制，和表面化學處理等用于改變硅材料物理化學性質。
圖2：用于測量光響應的膜片鉗技術
在得到了近30種不同類型，不同尺寸的硅材料后，作者們又開發了一種普適性的測量和量化硅材料光響應的方法來優化可能的光致物理化學過程，包括電容電流，法拉第電流，和光熱效應。作者們首先利用細胞電生理記錄的膜片鉗技術來測量浸泡在生理鹽水中的硅材料表面的光響應，通過擬合不同鉗制電壓下得到的光致電流和基線電流的關系，得出了一套量化矩陣以表示材料具體的光響應幅度。
圖3：用于優化材料設計的定量矩陣
簡單來說，當起始的硅膜從單純的p型變成了p-i-n結型結構后，由于二極管顯著的內電場導致的載流子分離，光致電容電流可以提高兩個數量級。當利用伽伐尼置換反應沉積上一層金薄膜后，光致電容電流會進一步提高一個數量級，而光致法拉第電流也同時提高了兩個數量級。最后，當硅材料從微米尺度的硅膜縮小為納米尺度的硅納米線后，光電效應會趨向于零，而載流子符合導致的光熱效應則隨材料尺寸的減小而逐漸變大。
圖4：硅在光照下發生的基本物理化學過程
針對每一種光響應，作者們都優化出了最佳的材料條件，包括光熱效應最強的同軸硅納米線，僅有光致電容電流的二極管硅膜，和光致電容電流和法拉第電流都最高的金修飾二極管硅膜。針對每一種硅材料，作者都設計了匹配的生物體系來實現光控響應。
圖5：基于硅納米線實現的遠程鈣信號調控
對于硅納米線，作者們發現其幾乎只會被膠質細胞吞噬，而神經元則幾乎完全不能內吞。當用激光照射一個膠質細胞內的納米線時，膠質細胞體內的鈣離子流動可以被定點激活，而且產生的鈣波還可以依次傳播到周邊的膠質細胞甚至神經元內。這一發現證明了，將來可能使用膠質細胞內吞的硅納米線進行間接的神經元活動調節的可能性。
展開 [科普]新一代碳化硅材料汽車功率半導體
新一代碳化硅材料
↑碳化硅材料的優勢
這些特殊的設計都是的整個功率電子的成本成指數級的上升。那么功率電子的趨勢是不是就是在目前的基礎上提高耐壓和功率能力呢？也許不是。我們回到最開始講的半導體基礎材料硅。那么如果換成其他基礎材料會怎么樣呢？
先來說一下一個概念帶隙（也叫能隙）bandgap。原子里面的結構是中間是質子中子，外圍是電子在軌道上旋轉。就像地球和衛星一樣。質子帶正電吸引帶負電的電子在固定軌道上旋轉。要讓電子脫離軌道形成自由電子就需要相應的能量。這個能量稱為躍遷能量。因此帶隙是半導體材料的一種屬性，決定了半導體材料的導電性，耐高溫，耐高電壓等等特性。
↑碳化硅材料與硅材料傳統IGBT比較
今天要講的就是寬帶隙wideband gap的半導體基礎材料在功率電子的應用。碳化硅SiC材料是硅的一種化合物。是一種非常堅硬耐高溫的陶瓷狀物質。有很多高性能跑車的陶瓷剎車片就是用碳化硅制成的。這種剎車片能夠承受更高的溫度，有更好的散熱效果。在跑車更頻繁的剎車動作下，陶瓷剎車片擁有更小的熱衰減，剎車的效果不會因為過熱而有明顯的降低。碳化硅的這種特性原因是它有更寬的帶隙，它的帶隙為硅的3倍。可以耐受更高的電壓（10倍），有更好的導熱特性（3倍）以及有更好的高溫穩定性。同時它的同功率尺寸要比硅更小，并且有更快的開關速度。更快的開關速度就意味著更小的開關損耗。因此碳化硅材料非常適合作為功率電子器件的基礎材料。
碳化硅材料在電動汽車中的應用
↑特斯拉率先量產碳化硅材料電機逆變器
那么碳化硅器件在電動汽車上的應用是不是還離我們很遠呢？其實碳化硅材料已經在特斯拉Model3和ModelY車型的電機逆變器上量產并大量使用。
展開 碳化硅功率晶體的設計發展及驅動電壓限制
傳統上在高壓功率晶體的設計中，采用硅材料的功率晶體要達到低通態電阻，必須采用超級結技術（superjunction），利用電荷補償的方式使磊晶層（Epitaxial layer）內的垂直電場分布均勻，有效減少磊晶層厚度及其造成的通態電阻。但是采用超級結技術的高壓功率晶體，其最大耐壓都在1000V以下。如果要能夠耐更高的電壓，就必須采用碳化硅材料來制造功率晶體。以碳化硅為材料的功率晶體，在碳化硅的高臨界電場強度之下，即使相同耐壓條件之下，其磊晶層的厚度約為硅材料的1/10，進而其所造成的通態電阻能夠有效被降低，達到高耐壓低通態電阻的基本要求。
在硅材料的高壓超級結功率晶體中，磊晶層的通態電阻占總通態電阻的90%以上。所以只要減少磊晶層造成的通態電阻，就能有效降低總通態電阻值；而碳化硅功率晶體根據不同耐壓等級，通道電阻（Channel resistance， Rch）占總通態電阻的比值也有所不同。例如在650V的碳化硅功率晶體中，通道電阻（ Channel resistance，Rch）占總通態電阻達50%以上，因此要有效降低總通態電阻最直接的方式就是改善通道電阻值。 由通道電阻的公式，如式（1）可以觀察到，有效降低通道電阻的方法有幾個方向：減少通道長度L、減少門極氧化層厚度dox、提高通道寬度W、提高通道的電子遷移率μch、降低通道導通閾值電壓VT，或者提高驅動電壓VGS。然而幾種方法又分別有自身的限制。
展開 《AFM》：超強性能的石墨烯包覆氧化亞硅負極材料！
來自北達科他大學的研究人員，以低成本的煤炭腐殖酸為原料，采用簡便方法原位合成石墨烯包覆歧化氧化亞硅負極材料，其首次放電容量為1937.6mAh g?1，首次庫侖效率為78.2%，2.0 A g?1下的可逆容量為1023 mAh g?1，循環500周后的容量保持率為72.4%。
硅（Si）因其高比容量被認為是有潛力的負極材料，然而，硅在充放電過程中體積膨脹嚴重，這種變化使硅顆粒與電極失去接觸，導致電池循環效率低，容量損失快。氧化亞硅（SiO）比單質硅具有更高的循環穩定性和更大的潛在應用價值，氧化亞硅可以通過高溫下Si與SiO2的氣相沉積反應合成，并在納米尺度上可以模擬為非晶硅和二氧化硅的混合物。然而，氧化亞硅固有的低電導率和較低的首次庫侖效率（ICE）導致其倍率性能的下降和容量衰減的增加，阻礙了其在鋰離子電池中的實際應用。
石墨烯包覆是緩解氧化亞硅負極使用過程中面臨挑戰的最有效方法之一，該包覆層能顯著提高電子電導率，防止氧化亞硅與電解液的反應，多層石墨烯殼層具有良好的彈性和更高的導電性，可以通過相鄰層之間的滑動過程有效地調節氧化亞硅的體積膨脹，而不會破壞石墨烯殼層。但當前已公開的原位合成石墨烯的報道中，會使用金屬催化劑，或者工藝復雜，技術成本高。
在本項工作中，北達科他大學的研究人員以煤炭腐殖酸為碳源，開發了一種簡便、低成本的原位合成石墨烯包覆氧化亞硅負極的方法，得到的負極材料具有優異的循環性能和庫倫效率，制備工藝簡單，極具商業化前景。
展開 