超质料在电子领域的潜力

发布时间:2022-01-11 00:33 点击数:
本文摘要:超质料在电子领域的潜力超质料是具有自然界中未发现的特性的工程/人造质料。预计超质料的泛起将对种种电子应用发生重大影响。这些不自然的质料可能会发生类似于 MEMS(微机电系统)技术的影响,并可能带来厘革。超质料是由包罗金属,塑料,陶瓷等复合质料的多种元素组装而成的。 超质料的性能并非基于基础质料的性能。它们基于工程质料的物理结构。 超质料依赖于准确的几何形状/形状,巨细,偏向和排列来获得其特性,这些特性超出了天然质料的可能规模。

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超质料在电子领域的潜力超质料是具有自然界中未发现的特性的工程/人造质料。预计超质料的泛起将对种种电子应用发生重大影响。这些不自然的质料可能会发生类似于" MEMS"(微机电系统)技术的影响,并可能带来厘革。超质料是由包罗金属,塑料,陶瓷等复合质料的多种元素组装而成的。

超质料的性能并非基于基础质料的性能。它们基于工程质料的物理结构。

超质料依赖于准确的几何形状/形状,巨细,偏向和排列来获得其特性,这些特性超出了天然质料的可能规模。名称metamaterial源自希腊语meta表现"逾越"和拉丁语materia表现"物质"或"物质"。

电气工程,半导体,电磁学,微波和天线工程,光电子学,经典光学,固态物理学,质料科学和纳米工程是促进超质料生长的学科。热治理和超质料热超质料可以以确定的方式资助散热,制止在高级半导体封装(例如2.5D和3D器件)中泛起热串扰和局部热点。在热治理中使用超质料的三个示例包罗:隔热罩可掩护区域免受瞬态扩散热流的影响。

热集中器将热通量集中在较小的区域上。热逆变器(也称为热旋转器)可更改区域中热梯度的偏向。热超质料的例子。a)由乳胶橡胶和有机硅弹性体的同心分层结构制成的隔热罩。

b)由胶乳和弹性体的方位角交替层制成的热浓缩器。c)由铜和聚氨酯的螺旋排列制成的热逆变器。

图片:圣母大学)纳米电子学,3D集成电路(IC)和柔性电子学的泛起使热治理变得越来越难题。例如,在2.5D封装中,逻辑能力和高带宽内存(HBM)层的数量连续增长。

2.5D封装中的一个关键挑战是热串扰,因为逻辑芯片和HBM相互靠近放置,同时需要差别的事情温度。热超质料可用于在需要时增强散热并提供热屏蔽,从而淘汰热串扰。预计其他超质料薄膜可高度扩展至修建物或工业设施的巨细,并具有在日光条件下"自冷却"的能力,而无需用电或耗水。

这种被动式冷却架构旨在反射太阳光,同时通过大气红外透明窗将热量辐射到严寒的天空。相对于传统的基于传导和对流的空气冷却系统,基于超质料薄膜的被动冷却模块有望使冷凝器温度降低至少13°C,向大气中净耗水为零,这至少相当于3%提高效率。

声学应用有时称为声波晶体或声子晶体的声学超质料是经由工程设计以控制,引导和/或利用声波或声子的质料。声子卖力固体中的热传导。效果,可以设计声子晶体来控制热通报。

声学工程的典型应用包罗噪声控制,医学超声以及声音再现或屏蔽。可以使用声学超质料控制通过给定介质的声音偏向,以控制声学折射率。

同样,可以通过控制特定的质料参数(例如体积模量β,密度ρ和手性)来实现声波控制。可以将声学超质料设计为传输或捕捉和放大特定频率的声波。当声波被捕捉并放大时,它称为声谐振器。

铜开口环声谐振器和电线安装在玻璃纤维电路板的互锁板上。开口环谐振器由一个内部正方形和一个外部正方形组成,该内部正方形的一侧在一侧嵌入一个漏洞。开口环谐振器位于方栅的正面和右侧,单根垂直线位于反面和左侧。)声学超质料的第一个乐成工业应用已通过飞机隔音测试。

声学超质料的研究领域涉及地震波反射和与地震有关的振动控制技术,超声/声学成像和准确感测。光子超质料,超级透镜和激光雷达光子超质料(PM),也称为光学超质料,与光相互作用,笼罩太赫兹(THz),红外(IR)或可见波长。与其他超质料一样,永磁体接纳周期性的蜂窝状结构,从而使其差别于光子带隙或光子晶体结构。细胞的规模比原子大,但比辐射波长小得多,约为纳米级。

设想的PM应用包罗掩盖和变换光学器件,它们会发生从坐标变换得出的空间变化,而且可以引导选定的电磁辐射带宽。近期的应用包罗超级透镜,先进的全息设备和激光雷达的开发。

已经开发了一种平面超级透镜(也称为金属透镜),该透镜在笼罩从红色到蓝色的规模内的可见光谱规模内可以高效事情,而且超出衍射极限。透镜可以分辨纳米尺度的特征,这些特征之间的距离小于光的波长。它使用超薄的微型波导阵列,称为超颖外貌,在光通过时会弯曲。

它是由二氧化钛制成的,这种二氧化钛是油漆和防晒霜中的常见质料,可形成平滑和高纵横比(平面)纳米结构的纳米级阵列。与需要准确抛光的通例透镜差别,该超级透镜是在单个光刻步骤中生产的。Metalenses当前正在高级全息系统中找到应用。

在玻璃基板上由二氧化钛纳米鳍片组成的超透镜的扫描电子显微镜显微照片。波束控制是从5G电话到激光雷达系统等新兴应用的重要组成部门。当前,大多数光束转向系统都是基于机械扫描的,从而导致可靠性,成本和尺寸方面的问题,而且还会限制系统性能。使用液晶超外貌技术开发了一种用于激光雷达系统的新光束控制技术,与机械扫描系统相比,该系统可实现具有更高的分辨率,规模和帧频的全固态系统。

内部激光器瞄准反射半导体芯片。来自芯片的反射偏向是可编程的。凭据超质料在芯片外貌的设置(受软件控制),反射光束的偏向是可编程的。

它可以指向任何偏向和任何顺序。光学超质料外貌加液晶,用于汽车激光雷达的光束转向。图片:Lumotive)可编程超质料超质料及其二维对应的超外貌可以对从微波到可见光的电磁(EM)波提供强大的控制。

超质料可以通过开发引入对其亚波长单元晶胞的显式控制的能力而变得可编程。通过软件控制,可以在单个超质料或超外貌中利用多个EM功效。当前正在举行研究以提供一种使种种超质料自主地适应其情况和/或与其他超质料元件通信的手段,从而实现用于感测,成像和通信的新型设备。

一种方法是开发与当今的现场可编程门阵列(FPGA)等效的超质料,该阵列驱动可重构超质料的数字化版本。目的是开发智能且自适应的超质料。在开发可编程超质料时,最难题的挑战之一是要获得足够高的刷新率,以在处置惩罚包罗mmWaves和THz波在内的高频情况时实时实现质料特性的有意义的变化。凭据应用的差别,将需要kHz或甚至MHz规模内的刷新率。

可编程超质料的初始应用有望包罗无线通信,医学成像和全息技术。


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