《新材料周刊》第34期：日本拟用美国无人潜航器调查深海稀土储量

远望智库预见未来战略前沿技术

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内容摘要：

日本拟用美国无人潜航器调查深海稀土储量

美开发金刚石射频电子产品以改善军用网络

碳纳米管提升5G技术改善军事通信

瑞士开发速度超快的“光开关”

具有卓越性能的清洁碳纳米管

新型光电探测器成本极大降低

纳米加工工艺或将重新延续摩尔定律

铝和激光助力制造可弯曲的玻璃

日本拟用美国无人潜航器调查深海稀土储量

日本经济新闻社报道，日本将在明年初部署美国伍兹霍尔海洋研究所研发的REMUS 6000自主式无人潜航器（AUV），勘探位于日本最东端的小笠原诸岛南鸟岛的海底稀土储量，为正式开发海底稀土矿作好准备。

AUV将向日本专属经济区（EEZ）内的6000米深海海底发射超声波，测量包含高浓度稀土的“稀土泥”的分布和厚度。此前利用海上探查船发出超声波，在特定地点采集地层样品，难以了解稀土的地层在多大程度上相连，以及地层面积和深度。AUV可连续大范围调查深海海底，准确掌握储量。如果此次调查取得成功，将考虑同时使用10艘AUV进行更大范围调查，并计划在深海海底设置用于充电和数据传输的终端。

海底资源开发是内阁府“SIP”研究项目的一部分，日本约6成稀土依赖于中国进口，基于国内开采的稀土产业化是日本长期课题。从2014年前后开始，由东京大学和大约30家日本企业组成的民间团体就一直在南鸟岛近海实施调查并开发采掘技术。2013年发现了含有高浓度的用于磁铁的钕等的稀土泥。2018年，早稻田大学讲师高田裕太郎和东京大学的加藤泰浩教授等人宣布，在南鸟岛周边海域的海底发现存在相当于全球数百年消费量的稀土矿床。估算资源面积约为2400平方公里，总蕴藏量约为1600万吨，其中含有金属铽（用于发动机等）可满足全球420年的需求量，金属铕（用于液晶显示器发光材料等）可满足全球620年的需求量。

要实现产业化，需要准确了解其蕴藏量和品质。日本政府2019年继续推进海底地质调查，海洋研究开发机构（JAMSTEC）和产业技术综合研究所等将对稀土泥的含量进行准确估算。计划2022年度在南鸟岛近海进行试采。JAMSTEC也正在开发一项技术，计划通过深海钻探船“地球号”，利用一根接近1500吨的管道从海床中抽取富含稀土的泥浆。

日本的发现价值巨大，但是提取稀土金属将很困难。加藤解释说，稀土元素通常含有铀等放射性元素，但在南鸟岛附近发现的金属是“干净的”，开采不会引起严重的环境问题。但这些金属被埋在5600米的水下，目前的技术提取成本太高。

另据报道，中国稀土储量占全世界的23%左右，产量占世界稀土商品量的80%至90%，其中60%至70%的稀土产品出口到国外，均居世界第一。世界上许多国家都严重依赖中国稀土，其主导地位曾导致价格飙升和短缺，引起一些国家的担忧。美国大部分稀土依赖中国，中美贸易战引发了对这种供应稳定的质疑。美国虽有一些稀土开采资源，但中国公司参与处理了70％至80％的加工。在稀土加工和处理方面，中国的主导地位更加明显，2018年将近90%的稀土氧化物在中国加工处理。

由于供应的不确定性以及对环境的担忧，一些公司已经采取措施摆脱稀土。丰田公司去年表示，已经找到一种制造钕含量较低的电动汽车用磁铁的方法。（NIKKEI网站11月17日消息综合）

美开发金刚石射频电子产品以改善军用网络　美国陆军近日与莱斯大学签署了一项为期五年，价值3000万美元的合作协议，以进行下一代无线网络和射频（RF）电子产品的研究，旨在为军队提供先进的情报、监视和侦察能力。研究团队由陆军研究实验室（ARL）和莱斯大学的人员组成，将在莱斯大学建立实验性生产设施，来生长超纯金刚石薄膜以及金刚石和可用于射频电子原型的其他材料的异质结构，用于开发氮化镓（GaN）的超宽带隙后继产品，以改善RF电子产品。该网络团队正在构建能够感知攻击并通过适应或隐身保护自己的分布式自我感知网络。（semiconductor网站11月8日消息）

碳纳米管提升5G技术改善军事通信　初创公司Carbonics和南加州大学开发出新型碳纳米管技术，首次在射频应用中实现高于100GHz的速度，超过传统射频互补金属氧化物半导体（RF-CMOS技术）的性能和效率，可促进军事通信、雷达、电子战和传感技术的发展。近二十年来，科学家认为具有独特一维电子传输特性的碳纳米管非常适合应用于高频晶体管技术，难度在于如何将高纯度半导体纳米管组装成密集排列的阵列，并用纳米材料制造出一种工作装置。Carbonics采用ZEBRA沉积技术，使碳纳米管紧密排列并沉积在各种芯片基板上，包括硅、绝缘体上硅、石英和柔性材料。该技术可实现直接与传统CMOS数字逻辑电路集成，克服异构集成的典型问题。基于衡量单壁碳纳米管设备指标的预测表明，该技术最终可能远超现有顶级射频技术砷化镓。Carbonics公司表示，CMOS兼容技术应用于5G和毫米波国防通信市场的时机已经成熟，目前公司正与行业参与者进行授权和技术转让合作。（TechXplore网站11月21日消息）

瑞士开发速度超快的“光开关”　苏黎世联邦理工学院科学家开发了一个新型“光电机械”开关，可快速切换光束，该开关比现有型号要小得多且速度更快，有望在自动驾驶、神经网络和量子计算机等领域发挥重要作用。自动驾驶需要以闪电速度评估周围环境并识别人员和障碍物，而当前技术已经到达极限。为此研究人员使用称为“等离子体”的神奇成分，沿着金属和电介质之间的边界引导光，实现光波被压缩成比光波长小得多的结构。通过开发40纳米厚、几微米宽的金膜，并使用氧化铝盘将其与硅基板隔开，研究人员解决了使用基于等离子体激元的光开关（等离激元器件）在传输光子时遇到巨大损失及需要高开关电压的挑战。新光开关可用于服务自动驾驶汽车的LIDAR（光检测和测距）系统以及帮助对光量子电路进行深入研究。（苏黎世联邦理工学院网站11月15日消息）

具有卓越性能的清洁碳纳米管　芬兰阿尔托大学和日本名古屋大学研究团队使用独特气溶胶方法实现直接控制纳米管的结构。气溶胶由金属催化剂和含碳气体组成，该方法可在3小时内制造数百个单独的碳纳米管器件，效率提高了十倍以上，而之前制造单个碳纳米管晶体管，从原始碳纳米管材料到晶体管，通常需要几天时间，过程中设备还可能会受到加工化学品的污染，使性能降低。新方法制造的设备表面上不包含降解的处理化学品，设备性能可以保持良好，此前这种超清洁设备比常规的单个碳纳米管晶体管更难制造。研究人员表示清洁设备可以帮助他们测量固有材料特性。研究表明，基于气溶胶的纳米管在电子质量方面表现非常出色，其导电能力可以与单壁碳纳米管的理论值媲美。研究方法还可以为应用研究做出贡献，如提高柔性导电膜性能、制造灵活防摔手机等。（阿尔托大学网站11月21日消息）

新型光电探测器成本极大降低　美国德雷塞尔大学研究人员开发了一种新的制造光电探测器方法，该方法使用MXene二维材料不仅提高了传感器的灵敏度，而且能极大降低生产成本。制造光电探测器的最大挑战之一是金触点的沉积。除了黄金本身的成本外，制造过程还必须在高温和真空室内进行，导致生产成本非常昂贵。新方法使用台式旋转器在大气条件下进行沉积，这种薄膜沉积工艺的工作原理类似于将一滴墨水放入离心机中，然后将所产生的飞溅物从腔壁剥离。利用图案化基板并在普通大气条件下完成的简单工艺，可用于大规模生产并有望大幅降低生产成本。与基于金的设备相比，MXene薄膜光电探测器的灵敏度要比目前的金制器件好四倍，并具有与MXene相似的亚纳秒响应速度。这一发现将为MXene在各种光电器件（例如光电二极管和光电晶体管）以及微电子技术、光子集成电路和硅光子技术等技术打开大门。（德雷塞尔大学网站11月12日消息）

纳米加工工艺或将重新延续摩尔定律　美国约翰霍普金斯大学研究人员开发出一种生产原子级半导体晶体的新方法，可用于制造功能更强大、结构更紧凑的电子器件。研究人员先用磷化氢气体处理硅基板，然后在此基板上引导单晶硅生长形成超薄纳米晶体，其宽度可通过改变磷化氢的含量精确调整，调整控制在50-430nm之间。新方法成本更低、速度更快、效果更好，将有助于芯片体积更小、性能更强，或将重新延续摩尔定律。（约翰霍普金斯大学网站11月18日消息）

铝和激光助力制造可弯曲的玻璃　德国耶拿大学领导的国际研究团队开发出一种可制造弯曲玻璃的方法。普通玻璃是由二氧化硅和氧气制成的非晶态固体。光子可以任意穿过透明的玻璃，而不会与玻璃中的任何电子产生相互作用。研究人员用结晶氧化铝代替二氧化硅制造了一些小型玻璃样品，然后向样品发射强烈的激光脉冲，将其转化为紫色等离子体，等离子体与基底接触后冷却，形成薄膜材料。测试发现，新型玻璃的透明度较高，脆性比普通玻璃低得多，并且可以较大程度地弯曲和拉伸，其最大拉伸长度达到8%，最大压缩值达到50%。模型显示，这种玻璃的原子网络非常致密，几乎不存在缺陷，其原子可以在压力作用下变换位置。但研究人员也表示，可弯曲玻璃商业化之前，还有好多工作要做，比如是否可以用于制造更大的玻璃片。（phys网站11月15日消息）

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