麻省理工学院的两个团队入选NSF可持续材料资助

2023 年 12 月，美国国家科学基金会 （NSF） 融合加速器（TIP 理事会的一部分）选择了由麻省理工学院研究人员领导的两个团队，在三年内每人获得 500 万美元的奖励，以开展旨在帮助将尖端的新型可持续材料和工艺从实验室带入实际、全面的工业生产的研究。去年，来自全国各地的16个团队被选中获得为期一年的资助，以制定详细的进一步研究计划，旨在解决先进电子产品的可持续性和可扩展性问题。

在麻省理工学院领导的两个团队中，一个团队Topological Electric由核科学与工程系副教授Mingda Li领导。该团队将寻找扩大可持续拓扑材料规模的途径，这些拓扑材料有可能通过展示卓越的电子性能（如无耗散态或高频响应）来彻底改变下一代微电子学。另一个团队由麻省理工学院材料研究实验室的首席研究科学家Anuradha Agarwal领导，将专注于开发微芯片的新材料、器件和制造工艺，这些材料、器件和制造工艺使用电子光子集成将能耗降至最低，并检测和避免当今生产方法中使用的有毒或稀缺材料。

扩大拓扑材料的使用规模

Li解释说，一些基于量子效应的材料已经成功地实现了从实验室好奇心到成功大规模生产的转变，例如蓝光LED和用于磁数据存储的巨磁静容（GMR）器件。但他表示，有各种同样有前途的材料已经显示出前景，但尚未将其转化为实际应用。

“我们真正想要实现的是将新一代量子材料带入技术和大规模生产，以造福更广泛的社会，”他说。他特别指出，“拓扑材料确实很有前途，可以做很多不同的事情。

拓扑材料是那些从根本上保护其电子特性免受干扰的材料。例如，Li指出，就在最近两年中，已经证明一些拓扑材料是比铜更好的电导体，铜通常用于连接电子元件的电线。但与广泛生产和部署的蓝光LED或GMR器件不同，当涉及到拓扑材料时，“没有公司，没有创业公司，真的没有业务，”麻省理工学院电气工程Clarence J. Lebel教授Tomas Palacios补充道。部分原因是，许多版本的此类材料被研究“侧重于基本的奇异物理特性，很少或根本没有考虑可持续性方面，”麻省理工学院物理学教授兼联合PI的Liang Fu说。他们的团队将寻找更适合大规模生产的替代配方。

这些拓扑材料的一个可能应用是检测太赫兹辐射，麻省理工学院化学教授兼联合PI基思·尼尔森（Keith Nelson）解释说。这种极高频的电子设备可以携带比传统无线电或微波更多的信息，但目前还没有成熟的电子设备可以在这个频率范围内扩展。他说，“拓扑材料有一系列的可能性”可以在这些频率下工作。此外，他说，“我们希望在一个非常紧凑的固态平台上展示这样的整个原型系统。

李说，在拓扑器件在各种微电子器件中的许多可能应用中，“我们不知道究竟哪些最终会成为产品，或者会达到真正的工业规模。这就是为什么NSF的这个机会就像一座桥梁，非常宝贵，使我们能够更深入地挖掘，释放真正的潜力。

除了Li，Palacios，Fu和Nelson之外，拓扑电学团队还包括波士顿学院物理学助理教授Qiong 马;麻省理工学院电气工程和计算机科学助理教授Farnaz Niroui;Susanne Stemmer，加州大学圣塔芭芭拉分校材料教授;Judy Cha，康奈尔大学材料科学与工程教授;工业合作伙伴包括 IBM、ADI Devices 和 Raytheon;和专业顾问。“我们正在认真对待这个机会，”李说。“我们真的很想看看拓扑材料在扩大规模时是否像我们在实验室中展示的那样好，以及我们可以在多大程度上推动它们的广泛工业化。

迈向可持续的微芯片生产和使用

从智能手机到医学成像，所有东西背后的微芯片都与当今温室气体排放的很大一部分有关，每年世界产生超过5000万公吨的电子垃圾，相当于约5000座埃菲尔铁塔。此外，复杂计算和大量数据传输所需的数据中心（例如人工智能和点播视频）正在增长，到2030年将需要全球10%的电力。

“目前的微芯片制造供应链，包括生产、分销和使用，既不可扩展，也不可持续，也无法继续下去。我们必须通过创新来摆脱这场危机，“Agarwal 说。

Agarwal 团队的名称 FUTUR-IC 通过可持续微芯片制造的全球联盟，对集成电路或芯片的未来进行了引用。Agarwal 说：“我们将来自工业界、学术界和政府的利益相关者聚集在一起，在技术、生态和劳动力三个维度上共同优化。大约140个利益攸关方将这些领域确定为相互关联的关键领域。借助 FUTUR-IC，我们的目标是每 10 年将与电子产品相关的废物和二氧化碳当量排放减少 50%。

预计未来十年的微电子市场将达到一万亿美元，但该行业的大部分制造只发生在全球有限的地理区域。FUTUR-IC旨在实现电子产品制造和封装供应链的多样化和加强。该联盟有 26 个合作者，并且还在不断壮大。目前的外部合作者包括国际电子制造倡议 （iNEMI）、廷德尔国家研究所、SEMI、惠普企业、英特尔和罗切斯特理工学院。

Agarwal 领导 FUTUR-IC 与其他人密切合作，包括麻省理工学院的 Thomas Lord 材料科学与工程教授 Lionel Kimerling;艾尔莎·奥利维蒂（Elsa Olivetti），杰里·迈克菲（Jerry McAfee）工程学教授;Randolph Kirchain，材料研究实验室首席研究科学家;以及麻省理工学院 NetPositive Enterprise （SHINE） 可持续发展与健康倡议主任 Greg Norris。所有实验室都隶属于材料研究实验室。麻省理工学院客座教授兼布里奇沃特州立大学物理学助理教授塞缪尔·塞尔纳（Samuel Serna）也加入了他们的行列。其他关键人员包括麻省理工学院材料科学与工程系制造知识与创新倡议的教育主任Sajan Saini;彼得·奥布莱恩（Peter O’Brien），廷德尔国家研究所教授;以及 iNEMI 首席执行官 Shekhar Chandrashekhar。

“我们预计电子和光子学的集成将彻底改变微芯片制造，提高效率，降低能耗，并为计算速度和数据处理能力的空前进步铺平道路，”Serna说，他是该项目技术“矢量”的联合负责人。

生态载体的联合负责人Norris说，这些努力需要共同的指标，并补充说，“微芯片行业必须拥有透明和开放的生命周期评估（LCA）模型和数据，这些模型和数据正在由FUTUR-IC开发。鉴于微电子生产超越了行业，这一点尤为重要。“鉴于微电子的规模和范围，该行业在向可持续制造和使用过渡方面处于领先地位至关重要，”麻省理工学院混凝土可持续发展中心的另一位联合负责人兼联合主任Kirchain说。为了实现这种交叉施肥，麻省理工学院气候与可持续发展联盟（MCSC）的联合负责人Olivetti将与FUTUR-IC合作，利用跨行业的学习，提高微芯片回收的好处。

Saini是劳动力向量的联合负责人，他强调了敏捷性的必要性。他说：“凭借一支适应持续技能提升实践的员工队伍，我们可以帮助提高芯片制造供应链的稳健性，并验证可持续发展课程的新设计。

“我们已经习惯了微电子技术性能和市场规模呈指数级增长所带来的好处，”Kimerling说，他也是麻省理工学院材料研究实验室主任和麻省理工学院微光子学中心的联合主任。“这种增长在材料使用、能源消耗和报废处理方面的生态影响已经开始阻碍这一进展。我们相信，针对这三个维度同时设计的解决方案将建立一个共同的学习曲线，为半导体行业未来40年的进步提供动力。

麻省理工学院的团队是通过NSF融合加速器计划的第二阶段获得针对全球挑战的可持续材料的六个奖项中的两个。该计划于 2019 年启动，通过采用多学科研究方法，以加快速度解决特别紧迫的挑战。