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发明硅和锗发光合金!制造光子芯片将给计算机带来革命性变化!

乐鱼体育APP下载 动态 2021-01-11 00:18

【手机软件:博科园】如果计算机使用光子而不是电子来传输数据,它们的性能会更好,耗电量也会更少。科学家们目前正在研究一种新的硅和锗发光合金,以获得光子芯片,这将给计算机带来革命性的变化。光子,即构成光的粒子,已基本取代电子在通信网络中进行数据传输。光信号的高带宽推动了电话系统、电视广播和互联网的巨大增长,然而,光子还没有取代计算机中的电子。

使用光在处理器芯片及其互连中传输数据将大大提高计算机的速度(芯片内和芯片间的通信速度可以提高1000倍),同时降低它们运行所需的功率。先进的微处理器芯片可以包含数百亿个晶体管,它们的铜电互连在运行时会产生大量的热量。与光子不同,电子有质量和电荷。当它们流经金属或半导体材料时,它们被硅和金属原子散射,导致它们振动并产生热量。因此,供应给微处理器的大部分电力都被浪费了。

从硅中发光的挑战

电子工业正准备在计算机芯片中使用硅,因为它具有优越的电子性能和可用性。它是一种很好的半导体,是一种丰富的元素,和硅氧化物一样,它也是玻璃和沙子的成分。然而,由于硅的晶体结构,它在处理光方面并不是很好。例如,它不能产生光子或控制其流量以进行数据处理。科学家研究了砷化镓和磷化铟等发光材料,但它们在计算机中的应用仍然有限,因为它们没有与当前的硅技术很好地结合在一起。

光电子芯片

来自欧洲的科学家在《自然》期刊上发表了一种新型的硅和锗合金,它具有光学活性。荷兰埃因霍温理工大学的物理学家乔斯·哈弗科特(Jos Haverkort)说:这是第一步,我们证明了这种材料非常适合发光,而且它与硅兼容。下一步是开发一种硅兼容激光器,它将被集成到电子电路中,作为光电子芯片的光源,这是由欧盟FET计划支持的SILAS项目最终目标。

该研究小组由埃因霍温大学的埃里克·巴克斯(Erik Bakkers)领导,还包括来自德国耶拿和慕尼黑大学、奥地利林茨大学、英国牛津大学和瑞士IBM大学的研究人员。为了制造这种激光器,科学家们将硅和锗结合在一个能够发光的六边形结构中,克服了硅的缺点,因为硅中的原子是以立方体形式排列。这是一个困难的项目,通过在六角锗层上沉积硅原子来诱使硅采用六方结构的初步尝试失败了。

慕尼黑工业大学的乔纳森·芬利(Jonathan Finley)解释说:当硅生长在平面六角锗上时,硅顽固地拒绝改变其立方结构。芬利通过测量产生的硅样品光学性质,能够通过这种不同寻常的硅锗生长。然而,多年来,埃因霍温大学研究小组已经开发出了生长纳米管的专业知识,并推断在锗平面上不起作用的东西,可能会在纳米管的曲面上起作用,这一次事情解决了。

所做的是使用砷化镓纳米线,它有一个六角形的结构,所以有一个六角形的茎,研究人员在核心周围创造了一个硅壳,它也有一个六边形的结构。通过改变沉积在纳米管上的硅和锗的量,研究人员发现,当锗的浓度超过65%时,这种六方合金能够发光下一步是激光的演示,换言之,确定硅锗合金如何将光作为激光放大和发射,并对其进行测量。

在硅锗可以与硅基电子完全集成之前,有几个悬而未决的问题需要解决:首先,这些设备必须与现有技术集成,这仍然是一个障碍。预计,未来量子计算机将使用低成本的硅基LED、光纤激光器、光传感器和发光量子点等应用。总体而言,从电气通信向光通信的转变将推动许多领域的创新,从用于自动驾驶的激光雷达,到用于医疗诊断或实时空气污染检测的传感器。

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