电源设计受益于材料科学的进步 - 碳材料
2024-2-9
碳 [C] 是一种基本元素。我们是碳基生命体。结合氧气，气态 CO2 浓度是我们用来衡量自身对全球变暖贡献的晴雨表。固态形式的纯碳可以像石墨一样软，也可以像金刚石一样硬。碳纤维用于加固各种产品，涵盖从航天飞机到钓鱼竿等领域。放射性碳 14C 测年是考古学中的重要工具。 很难想象有哪种元素比碳更有影响力。
此外，在未来的电子产品中，碳将发挥越来越重要的作用。这篇简短的博客将深入探讨材料科学领域的若干进展，展望未来几年内，碳材料如何在电子产品领域掀起一场变革。
这些 WBG 优势意味着 SiC 和 GaN 晶体管已广泛应用于诸如电动汽车、光伏转换器、物联网网络和环保设计电源等绿色技术中。
在这一进展的基础上，碳材料正在引领下一代技术——超宽带隙 (UWBG) 晶体管的发展。该晶体管使用纯金刚石，相较于 SiC 或 GaN 基底，具有更高的热导率（比 SiC 高出 4 倍）、更高的击穿电压（比 GaN 高出 6 倍）以及比 SiC 和 GaN 显著更宽的带隙值（见表 1）：
图 1：石墨烯的晶体结构（来源：维基百科）
石墨烯是碳的一种二维形式（同素异形体），由厚度仅为一个原子的纳米层构成，这些原子以蜂窝状的平面晶格排列。它表现出类似于半金属的特性，热和电可沿其平面轻松流动，但不支持横向传导。作为块状材料，石墨烯对所有可见光波长的光都具有强烈的吸收作用，但单层石墨烯则几乎透明。从微观层面上看，它是地球上的超强材料，因为每个原子都与其三个邻近原子形成双键。这种刚性赋予其极高的电子迁移率，测量值高达 15 000 cm2/Vs（请将此值与表 1 中的值进行比较），因此导电性能优于银。
石墨烯还展现出几种不同寻常的电学性质：易受到外部磁场的强烈影响，因此可用于构建灵敏的霍尔效应传感器，这些传感器能在室温及低温环境（低至绝对零度以上不到 1°K）下正常工作，并且可用于制造基于石墨烯的场效应晶体管 (gFET)，这种晶体管可用作生物传感器。
gFET 使用液态栅极，其中带电的生物分子影响通道电流，允许基于离子变化非电荷注入来进行测量，因此能够对蛋白质、生物分子和核酸进行实时测量，进而支持 CRISPR 基因编辑、RNA 药物研究、检测人类、植物和动物中是否存在传染病以及癌症研究等尖端技术。
对石墨烯独特电学性质的研究仍在继续，有望为新型电子设备的发展开辟道路。其中自旋电子学是一个发展领域，信息可以存储在电子的角动量中（自旋向上或自旋向下）。石墨烯规则且刚性的阵列结构可能是室温原子级自旋电子非易失性存储器 (NVM) 的理想载体材料，速度比传统 RAM 更快，而且在关闭电源时仍能保留所有数据。
此外，根据物理尺寸和/或其他化学掺杂，可将碳纳米管设计成具有半导体或半金属的性质。理论上，碳纳米管可以承载的电流是同等尺寸铜导体的 1000 倍，并且由于其圆柱形结构，这些电流可以仅沿管轴向流动而不是横向流动，从而开发出许多新型电子设备。
图 2：传统锂粉阴极（左）与 CNT 阴极（右）对比。来源：NAWA Technologies。
碳纳米管的其他应用领域包括光伏、传感器、显示器、智能纺织品和能量采集器，但最具前景的发展是使用 CNT 阴极技术的新型锂离子电池（图 2）。现有的锂离子电池在快速充电或高放电率条件下会遇到热膨胀问题，从而损坏内部结构。碳纳米管拥有更高的机械强度，可以承受这些热应力而不减性能。
这些新型 CNT 阴极电池可在 15 分钟内从 10% 充电至 90%，且重量轻，与传统电池相比，其每公斤瓦时 (WH/Kg) 的能量密度翻倍。此外，该电池在经过 800 次充放电循环后仍能具有原始电量的 90%，这有望在电动汽车驾驶领域引起一场革命，届时 1000 公里的续航里程将变得司空见惯。
超宽带隙
基于碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 的宽带隙 (WBG) 晶体管已经推动电源开关性能飞速进步。更宽带隙材料与传统硅 (Si) 基 MOSFET 功率晶体管相比，固有热导率明显更高，介电击穿电压更高，这意味着对于相同的性能等级，晶体管基底的尺寸可以做得更小、更薄。尺寸更小也意味着栅极和端子电容及电阻降低，从而以更低功耗实现更快速、更高效的开关性能。SiC 晶体管能够处理更高的电压，并提供比 Si-MOSFET 更快速、更高效的开关性能，而基于 GaN 基底的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 开关速度甚至能超过 SiC-MOSFET，使其适用于高频电子设备。这种快速开关缩小了其他电感和电容元件的所需尺寸，从而可以制造非常紧凑、高效和高功率密度的产品。这些 WBG 优势意味着 SiC 和 GaN 晶体管已广泛应用于诸如电动汽车、光伏转换器、物联网网络和环保设计电源等绿色技术中。
在这一进展的基础上，碳材料正在引领下一代技术——超宽带隙 (UWBG) 晶体管的发展。该晶体管使用纯金刚石，相较于 SiC 或 GaN 基底，具有更高的热导率（比 SiC 高出 4 倍）、更高的击穿电压（比 GaN 高出 6 倍）以及比 SiC 和 GaN 显著更宽的带隙值（见表 1）：
| 属性 | Si | SiC | GaN | 金刚石 |
|---|---|---|---|---|
| 带隙 (eV) | 1.1 | 3.0 | 3.5 | 5.5 |
| 热导率 (W/cm K) | 1.5 | 4.9 | 1.3 | 22 |
| 击穿电压 (kV/mm) | 0.3 | 2.5 | 3.3 | 20 |
| 电子迁移率 (cm2/V s) | 1500 | 400 | 2000 | 1060 |
表 1：硅、WBG 和 UWBG 晶体管基本属性比较
不同晶体管技术的性能可以用巴利加优值 (BFOM) 来衡量——BFOM 值越高，性能越佳。该比例关系呈非线性，主要是因为击穿电压和电导率这类关键性能指标均取决于临界电场值，而临界电场值则按半导体带隙电子电压的六次方增大。因此，基于 BFOM，WBG 晶体管的性能优于 Si-MOSFET 约 730 倍，而优于碳基 UWBG 晶体管约为 15,625 倍——这是性能的巨大飞跃，对于我们将全球能耗从依赖污染性化石燃料向高效绿色电能转型而言至关重要。
石墨烯半导体
图 1：石墨烯的晶体结构（来源：维基百科）
石墨烯还展现出几种不同寻常的电学性质：易受到外部磁场的强烈影响，因此可用于构建灵敏的霍尔效应传感器，这些传感器能在室温及低温环境（低至绝对零度以上不到 1°K）下正常工作，并且可用于制造基于石墨烯的场效应晶体管 (gFET)，这种晶体管可用作生物传感器。
gFET 使用液态栅极，其中带电的生物分子影响通道电流，允许基于离子变化非电荷注入来进行测量，因此能够对蛋白质、生物分子和核酸进行实时测量，进而支持 CRISPR 基因编辑、RNA 药物研究、检测人类、植物和动物中是否存在传染病以及癌症研究等尖端技术。
对石墨烯独特电学性质的研究仍在继续，有望为新型电子设备的发展开辟道路。其中自旋电子学是一个发展领域，信息可以存储在电子的角动量中（自旋向上或自旋向下）。石墨烯规则且刚性的阵列结构可能是室温原子级自旋电子非易失性存储器 (NVM) 的理想载体材料，速度比传统 RAM 更快，而且在关闭电源时仍能保留所有数据。
碳纳米管
如果将石墨烯片卷成圆柱体，它将成为一种纳米结构，具有卓越的拉伸强度和热导性能。由垂直排列的碳纳米管 (CNT) 制成的热界面材料表现出高度定向的导热性，因此电力电子设备产生的热量可以高效传递到适当的散热器，而不会过度加热相邻元器件。在测试中，热导率已接近 15 W/K——大约是热脂热导率的 3 倍。此外，根据物理尺寸和/或其他化学掺杂，可将碳纳米管设计成具有半导体或半金属的性质。理论上，碳纳米管可以承载的电流是同等尺寸铜导体的 1000 倍，并且由于其圆柱形结构，这些电流可以仅沿管轴向流动而不是横向流动，从而开发出许多新型电子设备。
图 2：传统锂粉阴极（左）与 CNT 阴极（右）对比。来源：NAWA Technologies。
这些新型 CNT 阴极电池可在 15 分钟内从 10% 充电至 90%，且重量轻，与传统电池相比，其每公斤瓦时 (WH/Kg) 的能量密度翻倍。此外，该电池在经过 800 次充放电循环后仍能具有原始电量的 90%，这有望在电动汽车驾驶领域引起一场革命，届时 1000 公里的续航里程将变得司空见惯。
应用
