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講邏輯的碳奈米管

科景_96
・2011/02/08 ・1482字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 571 ・九年級
相關標籤:

Original publish date:Jan 01, 2003

編輯 Agape 報導

科學家使用具有高介電常數的材質作為絕緣體﹐製造出以碳奈米管為導電通路的場效電晶體及邏輯電路﹐為電腦電路奈米化又提供了一線曙光。

由於電腦的運算速度取決於其中邏輯電路的設計及大小﹐如何將現有的半導體元件縮小而維持低功率的消耗﹐就成了開發工程師們努力研究的方向。當IBM與Intel都聲稱將量產最小線寬90nm的新一代電腦時﹐史丹福大學的Ali Javey所屬的研究小組﹐與康乃爾大學及普渡大學的科學家們合作﹐嘗試從分子電子學(molecular electronics) 的角度﹐來製造以碳奈米管為導電通路的場效電晶體及邏輯電路。

當電晶體的尺寸縮小時﹐技術上所面臨最大的挑戰﹐就是如何在極小的面積上繼續維持足夠的耦合電容來控制元件﹐以及如何解決因穿隧效應(因元件大小接近量子效應尺度)導致的漏電問題。現今的電晶體超過95%以上均以矽元素為原料﹐用來作為電極-導電通路之間絕緣體的則是SiO2。由於SiO2的介電常數不高(~3.9)﹐當電晶體電極面積縮小時﹐其耦合電容(與介電常數﹑電極面積成正比﹐與絕緣體厚度成反比)將無法繼續維持。這個限制使得以矽元素製造的電晶體面臨了技術上難以突破的瓶頸。

有鑒於此﹐Ali Javey等人﹐嘗試使用ZrO2(介電常數高達20~30)代替SiO2作為絕緣體。他們更使用原子層沉積技術(ALD, atomic-layer deposition) ﹐可以準確地控制ZrO2的厚度達到數奈米。如此﹐元件的耦合電容就不至受到尺寸縮小的影響。並且﹐Ali Javey等人所製造的電晶體﹐乃是以單壁碳奈米管為導電通路。因為碳奈米管可提供較高的電流密度﹐以及其中的電流載子在導電時不受到散射的影響﹐為ballistic transport。

Ali Javey等人是先在導電矽晶片基板(作為底部電極)上長了一層SiO2(作為底部電極與碳奈米管間的絕緣體) ﹐然後將單壁碳奈米管以化學氣相沉積( CVD﹐chemical vapour deposition) 的方式成長在SiO2上。在形成源極﹑閘級電極後﹐再以ALD將ZrO2均勻地鍍在元件表面。最後以電子束蝕刻的方式﹐將頂部電極選擇性地鍍於僅含碳奈米管的區域(防止頂部電極與源極﹑閘級之間的漏電及耦合)。

由於碳奈米管合成的條件﹐Ali Javey等人的碳奈米管電晶體是屬p-type的導電特性(電流隨著電極正電壓增加而減少)。如此製成的電晶體具有70mV/decade的subthreshold swing(決定元件尺度縮小的指數)﹐transconductance達6000 S/m﹐電流載子的移動率達3000cm2/Vs。這些數據與其它已知用碳奈米管作成的場效電晶體比起來﹐都有過之而無不及。除此之外﹐他們也將所製成的元件組成邏輯電路﹐也得到達60的電壓放大率﹐是現今碳奈米管邏輯電路中表現最好的。

經由將碳奈米管在氫氣中高溫加熱(400C一小時)﹐Ali Javey等人可製成屬n-type(電流隨著電極正電壓增加增加而增加)的碳奈米管電晶體﹐具有90-100mV/decade的subthreshold swing﹑600 S/m的transconductance﹑以及達1000cm2/Vs的電流載子移動率。雖然與其它已知用碳奈米管作成的場效電晶體比起來﹐已經是優越許多﹐但是要作為邏輯電路之用﹐還須在subthreshold swing及降低導電電阻上改進。

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人們也許會問﹐與現有的MOSFET相比﹐Ali Javey等人的碳奈米管電晶體表現如何。由於兩種元件的基本結構不同(MOSFET﹕平面式導電通路﹐碳奈米管﹕圓柱形電通路) ﹐在其文章中﹐Ali Javey並沒有提供具體的答案。儘管如此﹐他們的研究成果仍為汲汲於電腦電路微型化的科學家﹐提供了另一個值得嘗試的方向。

原始論文:
Ali Javey et al., High-k dielectrics for advanced carbon-nanotube transistors and logic gates, Nature Materials 1, 241–246 (2002)

參考來源:

相關連結:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Nov 10, 2007] 世界上最小的收音機:碳奈米管
  • [Mar 26, 2003] 奈米尺度的光電邏輯電路
  • [Mar 13, 2002] 以碳奈米管取代現有的半導體技術
  • [Mar 12, 2002] 利用碳奈米管製成的邏輯電路可望在未來取代矽基晶片的角色
  • [Dec 06, 2001] 小邏輯,大學問

  • 文章難易度
    科景_96
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    人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
    鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
    ・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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    本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

    營養品的吸收率如何?

    藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

    你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

    當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

    首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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    你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

    為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

    自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

    還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

    除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

    隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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    鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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    裝上 ReALM 讓 Siri 不再聽不懂人話?你的聲控語音秘書即將來臨!
    泛科學院_96
    ・2024/05/30 ・809字 ・閱讀時間約 1 分鐘

    替 iPhone 開發新的 AI 助理?幫 Siri 裝一個小型 AI 模型就好啦!

    自從二月 Apple 終止電動車開發,決定全力往 AI 領域發展。

    在我還在想 Apple 要怎麼彎道超車時,三月底 Apple 就主動發了一篇 AI 相關論文,在 iPhone 上加裝一個小的 AI 模型,就能讓 Siri 更能聽懂你的話,這無論是實用性還是創意,我都給到中上水準。

    在這篇論文出現之前,我想到 Siri 如果要跟上 AI 浪潮,勢必要打掉重練。

    現在呢?不用!在 iPhone 上裝個小型 AI 模型,就能從智慧手機變成 AI 手機,讓 Siri 做到更多事。而在這篇論文的背後,也隱約看見了 AI 代理人(AI agent)的可能性!

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    所以今天,我們就來分享:

    1. Apple 如何用小型 AI 模型升級 siri?
    2. Android 手機上的 AI Agent 研究。
    3. 未來 AI Agent 的發展,沒有鍵盤滑鼠的 LLM 作業系統。

    最後再來分享怎麼用 AI Agent 的安裝方法。

    廢話不多說,讓我們開始吧!

    最後,你覺得未來的電腦或行動裝置會是什麼樣子呢?

    1. 完全聲控還能自己看狀況。
    2. 原始的輸入設備是必要的,不然當機怎麼辦?
    3. 在行動裝置上也許能做到,但電腦應該不太行。
    4. 其他也可以留言分享喔

    如果,有其他想看的 AI 工具測試或相關問題,也可以留言發問,如果喜歡這支影片的話,也別忘了按讚、訂閱,加入會員,我們下集再見~掰!

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    泛科學院_96
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    我是泛科學院的AJ,有15年的軟體測試與電腦教育經驗,善於協助偏鄉NPO提升資訊能力,以Maker角度用發明解決身邊大小問題。與你分享人工智慧相關應用,每週更新兩集,讓我們帶你進入科技與創新的奇妙世界,為未來開啟無限可能!

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    這些太空垃圾會不會阻礙我們太空旅行?太空垃圾怎麼清? 
    PanSci_96
    ・2024/05/29 ・5682字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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    人類上太空的夢想會被我們親自摧毀嗎?

    隨著火箭成本降低,人人都能把衛星丟上太空,現在,當你晚上抬頭看天空,你看到的星星可能不是星星,而是人造衛星。你看到一閃而過的的流星,可能只是墜入大氣的太空垃圾。

    這些多到不行的太空垃圾已經成為隱憂,更可怕的是,這些以超音速飛行的太空垃圾可能摧毀其他衛星,在衛星軌道上製造更多不可預期的致命飛彈。有人擔心,人類終有一天會無法穿過這片垃圾雲,天空永遠被自己封閉。 終於,有人提出清理太空垃圾的方法了,但這些方法真的可行嗎?

    現在的太空垃圾有多少?

    最大的太空垃圾可能是整節火箭!

    所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西,都會成為太空垃圾,最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭,例如 1960 年代太空競賽時大量發射的火箭,有許多至今還在宇宙遊蕩,每一個都像公車一樣大。而小東西,則包含太空人在太空漫步時遺忘的東西,或是太空垃圾互相碰撞後產生的碎片,最小可能只有數毫米,小的像隻蚊子。但不論太空垃圾來自哪裡,只要缺乏妥善的管理和追蹤,就可能成為其他運作中設施和儀器的致命血滴子。

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    所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西,都會成為太空垃圾,最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭。
    圖|PanSci YouTube

    為什麼說太空垃圾真的很危險?

    為了不被地心引力拉入大氣,墜向地球,在軌道上繞行地球的物體大多都以非常快的速度在移動,包括現在還在運作的衛星與各種設施。舉例來說國際太空站位於距離地球表面四百公里高的近地軌道(Low Earth Orbit),以大約每秒 7 ~ 8 公里的速度高速移動,是地表音速的 20 倍。也就是說,太空上的車禍可嚴重多了,來自不同方向或不同傾角的物體,可能會以超過每秒 10 公里的相對速度發生碰撞。別說公車大小的太空垃圾了,只要直徑超過 1 公分的碎片就足以對太陽能板或玻璃造成損害。更麻煩的是,大小在 10 公分以下的物體,大多還因為尺寸過小難以追蹤。

    那麼,我們的頭上有多少太空垃圾呢?

    根據歐洲太空總署 ESA 的資料,目前軌道上有 6800 個運作中的衛星,相對的有超過 3 萬 2千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體,大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個,介於 1 公分到 10 公分的則高達一百萬個。

    根據歐洲太空總署 ESA 的資料,目前軌道上有 6800 個運作中的衛星,相對的有超過 3 萬 2 千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體,大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個,介於 1公分到 10 公分的則高達一百萬個。
    圖|PanSci YouTube

    在這些太空垃圾中,大多數大型太空垃圾就是來自發射衛星後,一起留在太空的第二節推進火箭,小型太空垃圾則來自火箭爆炸或各種大大小小碰撞所產生的碎片。

    太空上曾發生過嚴重的太空垃圾碰撞事件?

    歷史上比較嚴重的一次撞擊事件發生在 2009 年,銥衛星公司運作中的通訊衛星,重量 700 公斤的 iridium 33,和失效、重 900 公斤的蘇聯軍用衛星 kosmos 2251,在 789 公里的高空,兩台衛星以每秒 11.7 公里的相對速度直接撞上,化成了兩團在軌道上繞行的碎片團。

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    NASA 估計,這單一次的碰撞產生了超過 2000 片可追蹤的碎片,雖然許多碎片受地球引力慢慢墜入大氣燒毀,但直到到 2023 年 2 月的統計,大約還有一半,也就是 1000 片碎片留在軌道上。過往也曾經觀察到碎片從距離國際太空站僅 100 多公尺的位置驚險掠過。

    如何解決太空垃圾的問題?

    太空垃圾又多又危險,真的有辦法清除嗎?

    2023 年三月,NASA 發表一篇研究,整理了關於各種清理太空垃圾的方法與成本,包含從地面或太空發射雷射推動垃圾改變軌道,或是直接物理性撞擊改變軌道,還有透過捕捉垃圾,直接在太空將垃圾循環利用,作為燃料或其他用途的再利用等方法。

    透過捕捉垃圾,直接在太空將垃圾循環利用,作為燃料或其他用途的再利用。
    圖|PanSci YouTube

    清理不同大小的物體,要用的方法跟產生的效益也不同,因此他們評估了針對兩種策略。第一種策略將會優先處理目前最大、最具威脅性的 50 個太空垃圾,例如完整的第二節火箭或是失去功能的完整衛星。第二種策略則是優先移除 1 到 10 公分的十萬個小型垃圾。NASA 分別評估處理這兩種目標帶來的效益,恩,所謂的效益,就是預估能減少多少因為太空垃圾碰撞而產生的損失。

    要如何移除太空垃圾呢?

    移除大型垃圾主要的方法主要是再入大氣層(re-entry),簡單來說就是讓垃圾落入大氣層燒毀。這個方法預計讓運送任務完成的火箭載具,透過剩餘的推進燃料,順手將其他大型垃圾帶下來。移除這 50 個大型垃圾預計總共會花費 10 億美金,但在移除 30 年後所帶來的效益,將會超過花費的成本,非常划算。

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    至於小型太空垃圾,主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道,將它們送入大氣層或推離常用的軌道。發射雷射的裝置可以設置在地面或是太空中,單純以使用效率來說,設置在太空所需要的能量較低,但是設置在地面維護和管理比較方便。然而這也衍伸了許多爭議,主要圍繞在這個清除垃圾的雷射也可以作為武器使用,例如在戰爭爆發時用雷射攻擊敵國的衛星。不過如果順利設置的話,清除十萬個小型垃圾後大約只要十年就可以達到等同於成本的效益,比移除大型垃圾能更快回收成本。

    至於小型太空垃圾,主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道,將它們送入大氣層或推離常用的軌道。
    圖|PanSci YouTube

    方法有了,但我們真的能讓太空再次乾淨嗎?

    太空垃圾問題有解嗎?

    現在的太空有多擁擠?

    如果把歷史發射資料整理出來,會發現近五年人類的衛星發射數量幾乎是直線攀升,2012 年一整年全世界也只發射了 200 多顆衛星,到了 2022 年已經成長到一年 2000 多顆衛星。而且絕大部分都是來自於美國的衛星,想當然很大一部份都來自於 SpaceX 的星鏈計畫。而受益於獵鷹九號的高成功率和可回收造就的低廉成本,也能夠發射更多的中小型衛星,像是我們臺灣也發射了不少自主研發的立方衛星上太空,例如 2021 的「飛鼠」和「玉山」以及最近才剛發射的珍珠號立方衛星。

    如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾,我們清理垃圾的速度又不夠快,還有可能發生凱斯勒現象(Kessler syndrome),也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應,造成更多撞擊和更多碎片,讓不可控的太空垃圾快速增加,直到新的火箭與衛星都難以穿越,我們將無法前往太空,被自己的創造出的人造物封鎖在地球。

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    如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾,我們清理垃圾的速度又不夠快,還有可能發生凱斯勒現象(Kessler syndrome),也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應,造成更多撞擊和更多碎片,讓不可控的太空垃圾快速增加,直到新的火箭與衛星都難以穿越,我們將無法前往太空,被自己的創造出的人造物封鎖在地球。
    圖|PanSci YouTube

    治標也要治本,我們對於即將發射進太空的人造物能有套管理辦法嗎?

    1967 年在聯合國通過並簽署的《關於各國探索和利用包括月球和其他天體的外太空活動所應遵守原則的條約》,簡稱為《外太空條約》。這個條約制定了各國在外太空活動所應該遵守的原則,其中和人造衛星有關的原則主要有三個:

    1. 國家責任原則:各國應對其航太活動承擔國際責任,不管這種活動是由政府部門還是由非政府部門進行的
    2. 對空間物體的管轄權和控制權原則:射入外空的空間物體登記國對其在外空的物體仍保持管轄權和控制權
    3. 外空物體登記原則:凡進行航太活動的國家同意在最大可能和實際可行的範圍內將活動的狀況、地點及結果通知聯合國秘書長

    也就是說,雖然各國需要將太空活動回報給聯合國統計,但實際上在制定規範和進行管制的還是各國本身。以美國來說,分別需要和 FAA 聯邦航空總署申報火箭發射和再入大氣層的計畫,以及向 FCC 聯邦通訊委員會申報衛星的通訊規格,至於要如何避免在太空發生碰撞,是發射單位要自己負起責任,公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。

    如何避免在太空發生碰撞,是發射單位要自己負起責任,公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。
    圖|PanSci YouTube

    不過對於衛星任務結束後的處置,FCC 倒是有相關的規定和罰鍰。因為如果衛星有動力系統,可以在任務結束時就控制墜入大氣層或飛離常用軌道,進到所謂的死亡軌道(Graveyard Orbit),而通常在申請發射衛星時,也需一併提供任務結束後的處置方式。

    去年,衛星電視業者 Dish Network 沒有按照它在 2012 年所制定的衛星處置計畫,將衛星從離地 36000 公里的地球同步軌道再往外推 300 公里。這顆衛星在移動的半途中就燃料耗盡失去了動力,只離開原本的軌道 120 公里,FCC 因此對衛星電視業者開罰了 15 萬美元。這起首次針對太空垃圾的開罰,對於太空垃圾的管制具有重大的意義,代表著對太空垃圾危害性的重視,也代表著清理太空垃圾的商機正在逐漸成長。

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    清除太空垃圾能有商業價值?

    隨著商業化的太空活動逐漸熱絡,如何讓清理太空垃圾不只是空談也成了一個重要的問題。如果軌道上的垃圾減少,受益的會是所有使用軌道的衛星。就與現存的回收與垃圾處理方式一樣,我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」,如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾,則必須提高費率。相對的,如果一家公司提供清理太空垃圾的服務,則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。

    我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」,如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾,則必須提高費率。相對的,如果一家公司提供清理太空垃圾的服務,則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。
    圖|PanSci YouTube

    另外,雖然目前對於在軌道上進行捕捉再回收的直接經濟效益並不突出,但如果未來在太空可以建立起專門的處理設施,或許可以作為一個長期的太空垃圾處理機制,沒想到吧,人類要成為跨行星文明的第一步,竟然是得先成立太空垃圾清潔隊。

    不過話說回來,要讓各國政府願意砸大錢在太空垃圾回收產業可能還需要一點時間。畢竟相較於直接影響到生活的全球暖化,太空垃圾的危害並不那麼可怕,大型垃圾的撞擊也可以預測並提前避開,因此短時間內也還不會有明顯的感受,但如果你是需要觀測的天文學家,可能就覺得垃圾好礙眼了。

    最後想問問大家,你覺得處理太空垃圾最好的辦法會是什麼呢?

    1. 向所有太空公司徵收處理費,培育回收業者,資本的事情資本解決。
    2. 從技術研發著手,火箭能回收,想必衛星回收技術很快也能做出來。
    3. 都別處理了,就等人類把自己鎖死在地球,宇宙垃圾就不會再增加了!

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    參考資料

    PanSci_96
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