钡锶钙镁元素混合标

【科学背景】高熵材料的概念源于对于混合熵增益的探索，即通过增加材料成分的多样性和复杂性，从而引入更高的熵值，这些材料在极端条件下展现出了出色的单相保持能力、惰性动力学特性以及优化的力学性能。最初，高熵合金和氧化物作为典型代表，其熵增益主要归因于混合无机组分的构型失序，如近等摩尔比的多元元素混合。然而，尽管高熵材料在合金、氧化物、氮化物、碳化物等领域有了广泛应用，有机基团在构建高熵结构中的潜力仍未被充分探索。有机物质具有丰富的化学多样性和结构灵活性，但其在高熵材料中的作用和应用尚属未知。为了填补这一研究空白，浙江大学薛晶晶教授，西湖大学王睿教授团队合作通过将多种类型的A位有机阳离子与各种烷基链混合，作者成功构建了一系列高熵有机-无机混合钙钛矿结构。这些结构通过引入无序的有机基团，显著增加了材料的熵值，从而提升了其在高温下的稳定性和光电转换性能。具体而言，作者通过详细的单晶结构分析和柱形装配模型的建立，系统研究了在不同A位阳离子组合下材料熵增益的机制和影响因素。在太阳能电池应用方面，作者展示了这些高熵有机-无机混合钙钛矿材料在反转器件架构下的显著改进，其光电转换效率提升至25.7%，并展示了超过5,000小时的稳定运行能力。【科学亮点】（1）本研究首次探索了有机-无机混合高熵钙钛矿材料的构建方法及其性能表现。通过将多种类型的A位有机阳离子与不同烷基链混合，作者成功构建了一种高熵混合钙钛矿（HEHP），其结构中融合了有序的无机框架和无序的有机基团。（2）实验结果显示，HEHP具有单相结构和显著的熵增益，使其在高温环境下表现出更好的稳定性。单晶结构分析揭示了其独特的混合晶体结构，这为进一步理解和优化高熵材料的设计提供了重要见解。（3）应用于太阳能电池时，HEHP展现出了高达25.7%的光电转换效率（PCE），在反转器件结构下表现出长达超过5,000小时的稳定性，保持了其初始PCE的90%以上。【科学图文】图1 | 高熵混合钙钛矿HEHPs薄膜构造。图2 | 钙钛矿相的熵增益影响因素研究。图3 | 高熵混合钙钛矿HEHP材料的理论模型示意图。图4 | 高熵混合钙钛矿HEHPs的光伏应用。【科学启迪】本研究利用有机基团的无序性构建了一类新型的高熵混合钙钛矿（HEHP），这种材料结合了有序的无机框架和无序的有机成分。通过混合多种A位有机阳离子，作者展示了HEHP在光伏电池中表现出的优异性能，包括提高的光电转换效率和卓越的器件稳定性。这一研究揭示了高熵材料的设计新思路，即利用有机无序性增加材料的熵，从而改善其在极端环境下的稳定性和性能。HEHP的通用构建策略不仅适用于不同的钙钛矿组成和器件结构，还展示了在工业化生产中提高产量的潜力。此外，有机基团丰富的化学性质和混合构型的灵活性为进一步优化和拓展高熵混合材料的应用奠定了基础，可能在太阳能电池和其他光电器件领域引发新的设计范式和创新策略的探索。原文详情：Tian, Y., Zhang, X., Zhao, K. et al. High-entropy hybrid perovskites with disordered organic moieties for perovskite solar cells. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01468-1

【科学背景】二维（2D）半导体和范德瓦尔斯（vdW）异质结构是新兴的纳米材料，因其在设计纳米电子学、光电子学和纳米光子学方面的巨大潜力而成为了研究热点。在众多混合维度异质结构中，卤化物钙钛矿/2D半导体异质结构因其独特的光电和光子特性而脱颖而出。卤化物钙钛矿具有大的吸收系数和折射率、低陷阱密度、高光致发光量子产率、可调节的带隙等优点，这些特性为2D光电和光子器件提供了有效的补救措施。然而，实现高质量单晶卤化物钙钛矿/2D半导体混合维度异质结构仍然具有挑战性，主要问题包括材料结构在外部应力下的超敏感性和碘的复杂反应性。为了应对这些挑战，湖南大学段曦东教授团队提出了一种通用的范德瓦尔斯异质外延策略，通过这一方法成功合成了一系列高质量的单晶卤化物钙钛矿/2D半导体异质结构。通过选择特定的钙钛矿外延层和2D半导体，可以按需调整异质结构，涵盖从全无机到有机-无机混合类型的钙钛矿以及不同的2D半导体。这种方法展示了高晶面和对齐选择性，实验结果表明，这些异质结构具有显著降低的缺陷密度和均匀的能量景观，从而提供了增强的光增益特性和超低阈值且稳定的单模激光。此项研究拓展了范德瓦尔斯异质结构的应用前景，为片上光源和集成光电设备的发展提供了新的思路和方法。【科学亮点】（1）实验首次展示了通用的范德瓦尔斯异质外延策略，用于合成一系列晶面特异性的单晶卤化物钙钛矿/二维（2D）半导体（多重）异质结构。通过这种方法，可以在不同维度和成分的基础上，灵活地定制异质结构，包括从全无机到有机-无机混合的钙钛矿，以及单独的过渡金属二硫化物或2D异质结。（2）实验通过以下步骤和方法取得了一系列显著结果：&bull 方法：采用了范德瓦尔斯异质外延方法，将特定的钙钛矿外延层与2D半导体耦合，实现了高质量单晶异质结构的合成。该方法对CMOS兼容基板（如SiO2/Si）和光子兼容平台（如Si和LiNbO3）具有普遍适用性。&bull 结果一：通过选择不同的耦合层，可以广泛调整所获得的异质结构，从而实现可编程的异质结构，优化材料特性和设备性能。&bull 结果二：实验发现，外延的钙钛矿表现出高晶面和对齐选择性，这可能归因于热力学上有利的界面形成能及其在底层单层半导体的三重对称下形成的简并态。&bull 结果三：由于弱的范德瓦尔斯相互作用在异质界面产生不共晶/非相干的平面内晶格，实现了无键集成，最小化了失配引起的应变和缺陷。&bull 结果四：范德瓦尔斯外延钙钛矿半导体表现出显著降低的缺陷密度和均匀的能量景观，从而提供了增强的光增益特性和超低阈值且稳定的单模激光。&bull 结果五：实验合成的CsPbI2Br/WSe2异质结构展示了超高的光增益系数、降低的增益阈值和延长的增益寿命，归因于降低的能量无序。【科学图文】图1：卤化物钙钛矿/二维半导体异质结构的外延生长。图2：外延异质结构的界面能量。图3：单层WSe2和外延CsPbI3的原子结构图案。图4：晶面选择性外延生长的机制。图5：能量无序景观。图6：光增益响应。图7：卤化物钙钛矿/二维半导体异质结构的增强激光能力。【科学启迪】以上文章展示了通过范德瓦尔斯异质外延方法成功合成高质量的卤化物钙钛矿/二维半导体异质结构，并在光子学领域取得显著进展。这一研究不仅为开发新型光电子和光子器件提供了创新的材料平台，还突破了传统材料集成的限制。通过优化材料的光学性能和结构设计，实现了具有超低阈值和稳定性的单模激光器，为光通信和传感等领域的应用提供了新的解决方案。特别是，引入的单层半导体在促进钙钛矿的选择性外延生长和作为传输层方面发挥了关键作用，为电驱动片上激光器的实现奠定了基础。这项研究不仅推动了光子学领域的技术进步，还为理解和利用材料的光电特性提供了深刻见解，为未来量子光子学和光电子一体化系统的发展开辟了新的研究方向。原文详情：Zhang, L., Wang, Y., Chu, A. et al. Facet-selective growth of halide perovskite/2D semiconductor van der Waals heterostructures for improved optical gain and lasing. Nat Commun 15, 5484 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49364-0

SK 海力士突破 HBM 堆叠层数限制，MR-MUF 和混合键合封装两手抓。近日，SK 海力士封装研发副社长李康旭（Kangwook Lee）于 9 月 3 日出席“2024 年异构集成全球峰会”，发表了名为“面向人工智能时代的 HBM 和先进封装技术”的演讲。HBM 是克服 “存储墙”（Memory Walls）的优化解决方案，通过 I/O 并行化能力，使 HBM 成为人工智能系统中用于训练和推断的最高规格动态随机存取存储器（DRAM）。根据应用产品不同，使用的 HBM 数量也不同。随着 HBM 世代发展，在训练和推理人工智能服务器中搭载 HBM 的平均数量也会增加，如近期训练服务器需要 8 个 HBM3E、推理需要 4 - 5 个，长远估算可能分别需要 12 个和 8 个 HBM4/HBM4E 存储器。李康旭表示，SK 海力士计划 2025 年推出 12 层 HBM4 产品，通过自家研发的封装技术，在 HBM 产品的能效和散热性能方面具有优秀的产品竞争力。有趣的是，SK 海力士到 HBM3E 仍是以动态随机存取存储器基础裸片（Base Die），采用 2.5D 系统级封装，到 HBM4 考虑将动态随机存取存储器基础裸片改成逻辑基础裸片（Logic Base Die），使性能和能效获得提升。此外，到了 HBM5 架构可能出现改变，SK 海力士目前正在评估包括 2.5D 和 3D 系统级封装（SiP）在内的各种方案。 SK海力士技术朝两个方向进行：封装MR-MUF和混合键合（Hybrid Bonding）MR-MUF技术由SK海力士多个团队共同开发，该技术能够同时对HBM产品中所有的垂直堆叠芯片进行加热和互联，比堆叠芯片后填充薄膜材料的TC-NCF技术更高效。此外，与TC-NCF技术相比，MR-MUF技术可将有效散热的热虚设凸块数量增加四倍。MR-MUF技术另一个重要特性是采用了一种名为环氧树脂模塑料（EMC, Epoxy Molding Compound）的保护材料，用于填充芯片间的空隙。EMC是一种热固性聚合物，具有卓越的机械性、电气绝缘性及耐热性，能够满足对高环境可靠性和芯片翘曲控制的需求。由于应用了MR-MUF技术，HBM2E的散热性能比上一代HBM2提高了36%。从开发HBM2E开始，MR-MUF技术及随后推出的先进MR-MUF技术的应用，使SK海力士能够生产出业界最高标准的HBM产品。时至2024年，SK海力士已成为首家量产HBM3E的公司，这是最新一代、拥有全球最高标准性能的HBM产品。在应用先进的MR-MUF技术后，与上一代8层HBM3相比，HBM3E在散热性能方面提高了10%，成为人工智能时代炙手可热的存储器产品。SK 海力士的高带宽存储器（HBM）产品采用 MR-MUF 封装技术，具有低压、低温键合和批量热处理的优势，在生产效率和可靠性方面优于热压膜非导电胶（TC-NCF）制程。此外，具有高热导特性的填充空隙材料（Gap-Fill 材料）和高密度金属凸块（在垂直堆叠 HBM 动态随机存取存储器时起连接电路作用的微小鼓包型材料）的形成，在散热方面比 TC-NCF 制程有 36% 的性能优势。 由于堆叠将面临高度限制，目前 SK 海力士不断寻找新方法，在有限高度下装入更多堆叠层数。李康旭指出，公司 8 层 HBM3/HBM3E 使用 MR-MUF 技术；12 层 HBM3/HBM3E 采用先进 MR-MUF 技术；明年下半年准备出货的 12 层 HBM4 同样采用先进 MR-MUF 技术；至于 16 层 HBM4/HBM4E 将同步采用先进 MR-MUF 和混合键合（Hybrid Bonding）两种技术，未来堆叠 20 层以上产品（如 HBM5）则将转向混合键合技术发展。混合键合是一种先进的集成电路封装技术，主要用于实现不同芯片之间的高密度、高性能互联。这种技术的关键特征是通过直接铜对铜的连接方式取代传统的凸点或焊球（bump）互连，从而能够在极小的空间内实现超精细间距的堆叠和封装，达到三维集成的目的。在混合键合工艺中，两个或多个芯片的金属层（通常是铜层）被精密对准并直接压合在一起，形成直接电学接触。为了保证良好的连接效果，需要在芯片表面进行特殊的处理，例如沉积一层薄且均匀的介电材料（如SiO2或SiCN），并在其上制备出微米甚至纳米级别的铜垫和通孔（TSV）。这些铜垫和通孔将芯片内部的电路与外部相连，使得数据传输速度更快、功耗更低，同时极大地提升了芯片的集成度。李康旭指出，SK 海力士正在研发 16 层产品的相关技术，最近确认对 16 层产品可应用先进 MR-MUF 技术的可能性。此外，该公司也强调，从 HBM4E 开始会更强调 “定制化 HBM”，以满足各种客户需求，如提升芯片效率。