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国际前沿周报第8期

2357    2022-07-29    发布者:中国测试杂志社    来源:中国测试杂志社

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目录:

①新的设备设计方法为细胞测量带来前所未有的信心

②一个“相当简单”的突破使获取储存的氢气更有效

③利用大爆炸来测量宇宙

④突破摩尔定律的界限:极紫外光如何产生极小的微芯片?


新的设备设计方法为细胞测量带来前所未有的信心

流式细胞术,即对悬液中单细胞的数量、特性等进行检测的技术,在诊断医学、药物研究和生物医学领域发挥着重要作用。现在,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员设计出一种方法对该技术进行了前所未有的改进。

流式细胞术通常需要用荧光材料标记细胞,细胞在如人类头发丝粗细的微通道内流动,这些通道需要足够窄以保证细胞单行通过,当流经某一特定点时,激光照射在细胞上并记录其荧光信号。分析采集的荧光信号可以揭示细胞诸如种类、尺寸、DNA含量与分裂周期状态等特征。

但传统的单次测量系统缺乏量化读数变化的方法。为了解决这种情况,NIST研究人员创建并验证了一种新系统,该系统直接记录流式细胞仪测量的变化量以量化不确定度。他们的仪器对同一粒子进行一系列多次读数,当粒子在通道中移动时,其位置和速度受到精确控制,从而使他们能够观察到低至1% 的与测量相关的变化。

“结合透镜与其他方式,我们对波导结构进行了广泛的改进,以提高仪器灵敏度,”DiSalvo 说。“相信很快我们的仪器就能够提供不确定度评估的能力,同时还具备媲美价值数十万美元的商业单次测量系统的灵敏度。”


来源:NIST


一个“相当简单”的突破使获取储存的氢气更有效

美国能源部(U.S. Department of Energy, DOE)艾姆斯实验室和合作者开发的一种新催化剂可以轻松有效地从储氢材料中提取氢气。该过程在常温和常压条件下发生,且不使用任何金属或添加剂。这一突破为解决在运输和其他应用中采用氢燃料的长期挑战,提供了一个有前景的新解决方案。

氮组装催化LOHC中碳氢(C-H)键的裂解并促进氢分子的解吸

氢燃料是一种潜在的减少对化石燃料依赖的解决方案。对DOE来说,改善氢储存是推进氢燃料电池技术的关键。在艾姆斯实验室,科学家Long Qi和Wenyu Huang研究了从一类液态有机氢载体(liquid organic hydrogen carriers, LOHC)的材料中提取氢。

储存氢气的方法之一是化学方法。化学储存依赖于与氢分子反应并将其储存为氢原子的材料,例如在LOHC中。在常温环境下这种类型的储存允许以小体积储存大量氢气。然而,为了使氢气发挥作用,需要催化剂激活LOHC并释放氢气。这个过程称为脱氢。

目前一些脱氢过程依赖于金属催化剂,其中涉及关键的铂族金属,这些金属的供应有限且昂贵。其他方法需要添加剂来释放氢气。由于在每个循环中都需加入添加剂,且添加剂不可重复使用,从而导致了更高的总体成本。

Qi和Huang开发的催化剂不需要金属或添加剂。该催化剂由氮和碳组成,其效率的关键是氮的结构。由于在碳化过程中形成了独特的紧密排列的石墨氮作为氮集合体,因此催化活性可以在室温下发生。氮组装催化LOHC中碳氢(C-H)键的裂解,并促进氢分子的解吸。这个过程使该催化剂比使用的其他催化剂更有效。

根据DOE对车辆技术的目标,氢存储容量需要接近6.5%(按重量计)。他们对未来的研究持乐观态度,以实现具有更大容量的分子的目标。


来源:Ames Laboratory


利用大爆炸来测量宇宙

日本国家天文台(NAOJ)助理教授玛丽亚•戴诺蒂(Maria Dainotti)领导一个由23名研究人员组成的国际团队,分析了恒星爆炸引起的强大宇宙爆炸的档案数据,并找到了一种在遥远宇宙中测量距离的新方法。

由于太空中没有地标,很难获得深度感。天文学家使用一种技术寻找“标准蜡烛”,即基本物理规定绝对亮度(如果你正好在它旁边,你会看到)始终不变的物体或事件。

通过将计算出的绝对亮度与表观亮度(从地球上实际观察到的亮度)进行比较,可以确定到标准烛光的距离,该方法可以扩展到同一区域内的其他物体。

110亿光年以外的地方由于缺乏足够明亮的标准蜡烛,阻碍了对宇宙距离的研究。伽马射线爆发(GRB)是由大质量恒星死亡产生的辐射,足够明亮,但其亮度取决于爆炸的特征。

通过研究GRB随时间变亮和变暗的光曲线模式,该团队确定了179个GRB,它们具有共同特征,可能是由类似现象引起的。根据光曲线的特征,该团队能够计算每个GRB的唯一亮度和距离,这将被用作宇宙学的研究工具。


来源:National Astronomical Observatory of Japan


突破摩尔定律的界限:极紫外光如何产生微小的微芯片?

在过去的25年中,CXRO的科学家和工程师与微电子行业的领导者并肩工作,以应对开发极紫外光刻(extreme ultraviolet lithography, EUVL)所需的重大技术进步。(图来源:玛丽莲萨金特/伯克利实验室)

芯片由称为晶体管(微型硅开关)的小型化组件组成,可将数据处理和存储为计算机的二进制语言:1和0。芯片拥有的晶体管越多,它处理数据的速度就越快。今天最复杂的芯片大约只有指甲那么大,由超过1000亿个晶体管组成。

如今,芯片行业进入了一个新时代:极紫外光刻,这是一种革命性技术,可部署仅13.5nm波长的短波,这种短波比可见光小约40倍,比紫外光小20倍。如此短的EUV波长使微电子行业能够打印出比一根头发丝还要细数万倍的微芯片电路和晶体管——并为摩尔定律赢得了更多时间,该定律在1965年预测晶体管数量会以每两年翻一番的速度应用在芯片上,直到技术在小型化和性能方面达到极限。

“当你谈论半导体制造的未来时,我们谈论的是扩展摩尔定律——这一直是我们几十年来的主要关注点,”EUVL背后的复杂科学领域的领先专家和X射线光学中心的主任 Patrick Naulleau说。X射线光学中心是位于能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究机构。

EUV光刻机在最近的2019年才实现商业化,这一目标花了数十年的研究才实现,其中大部分是通过CXRO的独特能力实现的。在过去的25年中,CXRO的科学家和工程师与微电子行业的领导者并肩工作,以应对开发 EUVL所需的重大技术进步。

一些分析人士表示,摩尔定律的终结已经临近。但Naulleau说,CXRO在材料和仪器方面的进步,为现代芯片提供了几十年的改进空间。他在本次问答中分享了他的观点。

问:CXRO 如何帮助推动芯片制造的创新?

CXRO 帮助行业了解EUVL背后的基础科学,以及如何推动技术向前发展。

1997年,英特尔、IBM、AMD和摩托罗拉组成EUV LLC联盟,资助三个国家实验室(伯克利实验室、利弗莫尔实验室和桑迪亚)的工作,为半导体行业开发世界上第一台EUV光刻扫描仪。当时我刚刚完成博士学位。当我被CXRO招募来从事这个项目时。我很自豪地说,我们的工作为EUV光刻技术的全面商业化奠定了基础,最终于2019年实现。

2001年,随着EUV光刻在整个行业中获得更多关注,我们开始与SEMATECH(一个基础广泛的半导体行业联盟)建立合作伙伴关系,以继续推动EUV光刻研究向前发展。

问:EUV 光刻如何用于制造微芯片?

首先,将光刻胶涂在硅晶片的顶部。光刻胶是一种感光化学薄膜,就像我们过去在老式相机中使用的胶片那样。

然后,一个被称为光刻工具的精密相机使用波长为13.5nm的EUV光将微小电路的图像投射到涂有光刻胶的晶圆上。光刻胶捕捉计算机芯片电路的超高分辨率图像。

基本上,您可以将光刻工具视为用于计算机芯片的非常精美的复印机。

在将电路图像记录在光刻胶膜中后,使用蚀刻工具将这些电路图案转移到硅晶片上,最终在每个12英寸的晶片上形成数百个计算机芯片。

问:CXRO 现在在做什么来推动芯片创新?

疫情期间,我们继续与英特尔和三星合作,推动我们下一代EUV光刻研究工具的研究,并开发新的化学分析工具,使我们能够了解光刻胶工作原理的基本物理特性。

目前,我们最新的光刻工具已经超过了光刻胶能可靠记录的能力,因此该行业面临的最直接挑战是理解和开发新的光刻胶材料,使得芯片制造能够在14埃节点(1.4nm)及以下。(1埃是1mm的1000万分之一,或者大约是单个氢原子的大小。)

问:CXRO如何产生EUV光?

在过去的25年中,CXRO的EUVL仪器利用了来自伯克利实验室先进光源的光,这是一种同步加速器设施,可产生非常明亮的极紫外光和软X射线光,这些光来自一台被称为“光束线”的高度专业的仪器。


来源:Lawrence Berkeley National Laboratory



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