技术论坛

  • 细菌杂化微纳米机器人的研究进展

    胡静;林麟;鄢晓晖;

    综述了近年来国内外关于细菌杂化的微纳米机器人的研究进展,重点探讨了天然细菌的功能化制备、细菌机器人的驱动控制方法以及细菌杂化机器人在生物医学领域中的应用。重点从当前的研究中细菌杂化机器人的制备方法如物理吸附、化学修饰和基因工程改造,对比并探讨了各个方法对细菌机器人的性能影响进行评述,归纳了近年来细菌机器人基于细菌自运动与趋化运动的控制、磁场-自运动混合驱动控制以及基于医学影像的体内追踪与导航等控制研究进展。重点阐述了细菌杂化机器人的药物递送与癌症细胞去除,概述了细菌杂化机器人在生物医学领域中的代表性应用研究。最后,总结了当前研究中存在的局限与面临的挑战,并以此展望了未来的研究方向。

    2023年09期 v.60;No.556 1333-1343页 [查看摘要][在线阅读][下载 1354K]
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  • CNTFET器件及电路辐射效应研究进展

    舒焕;陆芃;闫江;

    简述了碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)中作为沟道材料的碳纳米管的基本辐射效应原理及其在抗辐射领域的优势,总结了近年来CNTFET在辐射效应机理和加固领域的研究进展。介绍了不同辐射条件在碳纳米管材料和不同结构的CNTFET中诱发的位移损伤效应机理,重点介绍了电介质是影响器件总剂量效应的主要因素,辐射环境也是影响器件辐照后性能变化的重要因素,并针对这两点总结了加固方法及器件和电路的设计,对国内外研究中不同结构的电路的抗辐射能力进行评述。最后介绍了器件受单粒子效应影响的机理,对比了碳基晶体管器件和硅基晶体管器件的抗辐射能力,并展望了CNTFET及其电路的未来太空应用发展。

    2023年09期 v.60;No.556 1344-1355页 [查看摘要][在线阅读][下载 1967K]
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  • PVDF压电复合材料及其应用的研究进展

    鲁忠孝;高国伟;

    对聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的工作原理及其在传感器领域的优势进行了简单阐述,重点从PVDF材料的压电性能和介电性能的改进方向进行了分析,主要包括材料掺杂和工艺优化。总结和分析了国内外研究中PVDF掺杂无机压电材料、金属及其氧化物、碳基材料来改善薄膜性能的工作原理和优势,并对工艺研究中的静电纺丝技术、电流体动力拉拔技术、挤压铸造工艺进行了简单评述。总结了近年来PVDF压电复合材料在传感器领域的研究进展,及其在可穿戴设备、声波传感器和人机交互等领域的应用,最后对PVDF材料的发展方向进行了总结和展望。

    2023年09期 v.60;No.556 1356-1365页 [查看摘要][在线阅读][下载 1163K]
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  • 基于电化学及光学法汗液可穿戴传感器的研究进展

    李阳;谯云;星仓龙;余丹;朱志超;高健钊;陈东圳;

    对可穿戴汗液传感器进行了简单的阐述,介绍了汗液传感器所需具备的物理化学性能。简述了汗液产生与采集的方式,并根据转换后得到的信号类型(电信号和光信号)将汗液传感器划分为电化学汗液传感器和光学法汗液传感器。根据不同的传感原理将电化学汗液传感器和光学法汗液传感器进一步细分,重点介绍其传感原理及国内外的研究现状,并对不同类型汗液传感器的优缺点进行分析。最后,对当前可穿戴汗液传感器面临的挑战以及未来的发展方向进行了展望。

    2023年09期 v.60;No.556 1366-1375页 [查看摘要][在线阅读][下载 1398K]
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  • 用于柔性超级电容器的多孔有机大分子复合凝胶电解质

    田帆飞;张果丽;贾晓霞;李刚;王开鹰;

    通过选择性溶解法制备了多孔结构的聚乙烯醇(PVA)基大分子羧甲基纤维素(CMC)复合凝胶电解质,以此提高凝胶电解质的离子电导率和柔性超级电容器的电化学性能。使用扫描电子显微镜(SEM)对凝胶电解质的形貌进行了表征。凝胶内部为多孔的网络结构,不规则的孔均匀分布在PVA基体中。同时,采用活性炭作为电极组装成柔性超级电容器。对凝胶电解质的离子电导率、吸水率和热稳定性进行了测试,实验结果表明多孔PVA-10%CMC复合凝胶电解质离子电导率最高可达64.3 mS/cm,具有130.3%的吸水率和63.8%的保水率,并且在-10、25和40℃温度梯度下可以稳定使用。此外,利用其组装的柔性超级电容器的比电容最高可达40.0 F/g,循环10 000圈后的比电容保持率为55%,并且有优异的倍率性能和弯曲性能。因此,多孔结构的构建和CMC的复合是提高凝胶电解质性能的有效方法。

    2023年09期 v.60;No.556 1376-1385页 [查看摘要][在线阅读][下载 1543K]
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器件与技术

  • 双源气相沉积法制备Si/CsPbBr3光电探测器

    吴成云;程晨;刘雨杭;张彦;

    全无机钙钛矿CsPbBr_3薄膜具有优异的光电特性,探索其新的制备工艺并与Si集成实现良好的光电探测具有重要意义。通过双源气相沉积在Si衬底上制备了CsPbBr_3薄膜,并研究了CsPbBr_3薄膜的光学吸收、物相组成、形貌结构等性质,在此基础上构建了Si/CsPbBr_3异质结光电探测器,并对器件性能进行了表征。得益于气相法沉积的高质量CsPbBr_3薄膜,以及Si和CsPbBr_3对光的协同吸收,Si/CsPbBr_3异质结光电探测器能够实现300~1 100 nm的宽光谱范围探测,并表现出了良好的光电响应。在532 nm光照下,器件的响应度和比探测率分别为24.85 mA/W和1.01×10~(11) Jones。此外,器件的响应时间为260/211μs,能实现快速的光响应。这项工作为硅基钙钛矿光电器件的制备与应用提供了新的机会。

    2023年09期 v.60;No.556 1386-1392页 [查看摘要][在线阅读][下载 1604K]
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  • 基于有机-无机混合配体置换的蓝光量子点发光二极管性能

    高懿韦;翟光美;王北恒;王艳林;曹松;余春燕;苗艳勤;王华;许并社;

    相较于红光和绿光量子点发光二极管(QLED),制备高效蓝光QLED仍然具有挑战性。比较研究了有机配体(辛硫醇,OT)、无机配体(ZnCl_2)和有机-无机混合配体(OT和ZnCl_2)置换原始油酸配体对量子点(QD)的光致和电致发光性能的影响规律及机制。实验结果表明,有机-无机混合配体置换对蓝光QLED的发光性能的提升效果最佳,ZnCl_2配体次之,辛硫醇配体最小,这主要归因于三种配体置换后量子点表面缺陷钝化以及量子点价带顶能级上移程度方面的差异。相较于原始油酸配体置换QLED,基于有机-无机混合配体置换量子点蓝光QLED的峰值功率效率和最高外量子效率分别约提高了2.08倍和1.89倍,最高亮度从2 413 cd/m~2提高到了6 994 cd/m~2。该研究为调控量子点表面化学性质和提高蓝光QLED性能提供了一种有效策略。

    2023年09期 v.60;No.556 1393-1404页 [查看摘要][在线阅读][下载 2393K]
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材料与结构

  • 多孔GaN阵列结构的制备及其光电性能

    徐杰;贾伟;董海亮;贾志刚;李天保;余春燕;张竹霞;许并社;

    以硝酸钠溶液作为腐蚀液,通过电化学和紫外辅助电化学相结合的两步法腐蚀GaN薄膜,制备出了多孔阵列结构。采用扫描电子显微镜(SEM)表征了多孔阵列结构的形貌,结果表明多孔GaN阵列结构排列整齐,孔径分布均匀,其平均孔径为24.1 nm,孔隙密度为3.86×10~(10) cm~(-2),深度为2μm。利用X射线衍射仪(XRD)和Raman光谱仪表征了多孔GaN阵列的晶体结构,与平面GaN薄膜相比,多孔GaN阵列结构的晶体质量更好,且具有较低的残余应力。使用光致发光(PL)光谱和紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱表征了GaN的光学性能,与平面GaN薄膜相比,多孔GaN阵列结构的光致发光强度和光吸收能力有较大提升。通过电化学工作站对多孔GaN阵列结构的光电性能进行测试,在1.23 V偏压下,多孔GaN阵列结构的光电流是GaN平面结构的约3.36倍,最大光电转化效率η_(max)是平面GaN薄膜的约3.5倍。该研究为多孔GaN阵列结构的应用提供了一定的实验数据和理论指导。

    2023年09期 v.60;No.556 1405-1413页 [查看摘要][在线阅读][下载 1717K]
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  • MXene@TiO2@Fe3O4三元复合材料的制备及其光催化性能

    葛传楠;顼建乐;雷成龙;

    Ti_3C_2T_x作为二维MXene材料,由于其特殊的层状结构及优异的电导特性,成为目前光电能源领域研究的热点。尤其MXene作为助催化剂,对半导体材料的光催化反应活性具有显著的协同催化效应。以MXene材料为前驱体,通过水热法构筑MXene@TiO_2@Fe_3O_4三元异质结构。与单一MXene和其二元复合材料相比,MXene@TiO_2@Fe_3O_4三元复合材料的光催化性能明显增强。最大光电流密度可达3.9μA/cm~2,分别是单一MXene、MXene@TiO_2和MXene@Fe_3O_4的15倍、2.6倍和1.6倍。在可见光照射2 h内,MXene@TiO_2@Fe_3O_4复合材料对罗丹明B(RhB)的降解率可达99%,分别是单一MXene、MXene@TiO_2和MXene@Fe_3O_4的3.4倍、2.1倍和1.26倍。实验结果表明,由于MXene优异的电导特性和多元异质结构,使MXene成为电子俘获中心,有效抑制了光生电子-空穴对的复合。因此,高浓度的光生载流子有效增强了光催化氧化还原反应。本研究为新型复合光催化材料的设计提供依据,拓宽基于MXene材料在能源和绿色生态等领域的应用。

    2023年09期 v.60;No.556 1414-1421页 [查看摘要][在线阅读][下载 1401K]
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  • PVA/明胶双网络热电水凝胶制备及自驱动呼吸监测应用

    崔小静;聂钰又;吴瑞敏;芦宾;王大为;张虎林;

    呼吸监测对于人体健康监测具有重要意义。人在呼吸过程中鼻腔呼出的气体温度明显高于环境温度,因此利用热电水凝胶的温度敏感特性研究了一种基于热电水凝胶的自驱动人体呼吸监测装置。通过在聚乙烯醇(PVA)/明胶双网络水凝胶中引入I~-和I~-_3氧化还原电对,将人体呼吸过程产生的温差信号转化成电信号,且塞贝克系数可以达到0.71 mV/K。通过对该热电水凝胶力学性能和电学性能的测试和分析,证明了其不仅具有良好的柔性、可拉伸性,而且能够用于人体呼吸状态监测,及时发现人体呼吸异常情况。该研究可为基于水凝胶的可穿戴电子设备的应用研究提供理论参考和技术支持。

    2023年09期 v.60;No.556 1422-1428页 [查看摘要][在线阅读][下载 1384K]
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MEMS与传感器

  • 用于耳内体温监测的柔性温度传感器

    项晓禹;孙鹏;刘伟涛;李浩然;张弛;刘军山;

    为了在使用入耳式耳机进行日常活动时,可以通过监测耳内温度来评估健康状况,研制了一种柔性铂薄膜温度传感器。传感器的感温单元设计为蛇形结构,可以共形贴附于曲面。制备过程中,采用磁控溅射技术在已图形化的柔性基板表面沉积铂,省去光刻、显影等工艺,直接完成对铂薄膜的图形化。在25~45℃的温度范围内,传感器的电阻温度系数为0.002 8/℃,分辨率为0.1℃,能够满足体温测量对传感器性能的要求。将传感器集成至耳机耳塞上,并通过标定实验得到电阻-温度关系公式。研发了基于传感器的无线入耳式体温监测系统,结合手机应用程序(APP)进行实际体温测量。在36.3~36.7℃的温度范围内,对同一位使用者测温的平均误差为±0.058℃,表明该传感器能够准确获取耳内体温。

    2023年09期 v.60;No.556 1429-1435页 [查看摘要][在线阅读][下载 1549K]
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  • 三层多晶硅结构的挠曲式静电驱动MEMS微反射镜

    吴嘉琦;赖丽燕;李以贵;

    将悬臂梁结构与平行平板型结构相结合,研发了一种挠曲式静电驱动微电子机械系统(MEMS)微反射镜。为了实现大扭转角度、小驱动电压的设计目标,通过仿真实验进行对比分析,确定了微反射镜的相关尺寸。采用低压化学气相沉积、光刻、反应离子刻蚀和溅射等工艺,成功制备出了一种具有三层多晶硅结构的微反射镜。在制备过程中得出氢氟酸去除牺牲层(磷硅玻璃)释放出微反射镜结构的最佳刻蚀时间为45 s。制作了开关频率为200 kHz的MOSFET高速驱动电路,电路中的栅极驱动电阻(R_G)是影响输出的关键因素。实验结果表明,当R_G额定功率为300 W、电阻为47Ω时,微反射镜能够达到足够启动速度,实现高速开关的设计目标。最后,设计并搭建了微反射镜的测试系统,施加60 V的驱动电压进行测试,通过显微镜观察到微反射镜的明显动作变化以及屏幕上光斑的位移变化,表明制备的微反射镜可正常驱动。

    2023年09期 v.60;No.556 1436-1444页 [查看摘要][在线阅读][下载 1909K]
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  • 基于SnO2/SnTe材料的氨气传感器性能

    吴晓芳;王晓雨;黄宝玉;李晓干;

    为了提高碲化锡基传感器的气敏性能,通过水热法引入氧化锡相,合成了SnO_2/SnTe复合异质结材料。制备的SnO_2/SnTe复合纳米材料表现为特殊的层状结构,具有较高的比表面积,为气体分子的吸附提供了充足的活性位点。SnO_2/SnTe基传感器对氨气具有优越的传感性能,包括高响应度、低检测限(体积分数1×10~(-6))、高选择性和良好的重复性。在室温下,SnO_2/SnTe基传感器对体积分数3×10~(-5)的氨气响应为46%,响应/恢复时间分别为76 s/426 s。研究结果表明,基于SnO_2/SnTe复合材料的传感器能够有效地实现对氨气的室温检测。此外,结合表征结果进一步证明了传感器对氨气传感性能的增强主要归因于SnO_2/SnTe异质结的构建。

    2023年09期 v.60;No.556 1445-1456页 [查看摘要][在线阅读][下载 2063K]
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  • 不锈钢管封装短周期光纤光栅温度传感器特性及仿真分析

    许童杰;刘振华;蒋秀丽;刘永生;

    采用不同内外径的304不锈钢管封装制作了I型光纤光栅温度传感器,温度灵敏度均达到20 pm/℃以上,是裸光纤光栅温度传感器的2倍以上,线性度优异,能够达到0.999 57以上。内外径为0.4、0.5 mm, 0.75、1 mm, 2、3 mm的不锈钢管封装的传感器的响应时间分别为21.2、32.3、104.3 s,响应时间随着不锈钢管的增厚而增加。薄壁管(内外径为0.4、0.5 mm)封装的光纤光栅温度传感器虽然响应时间短,但在温差为75℃的环境下波长存在异常下降的现象,这在一些应用场景中十分不利。利用ANSYS有限元仿真软件对不同内外径不锈钢管封装的光纤光栅温度传感器进行模拟,仿真得到响应时间与z轴形变量。仿真值与实验值进行比较可知,其误差较小,并且z轴形变量的变化也能较好地解释波长异常变化的原因。

    2023年09期 v.60;No.556 1457-1463页 [查看摘要][在线阅读][下载 1293K]
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  • 基于TENG的人体运动监测及其在跌倒检测中的应用

    杨刚;王超;王丽芳;杜佳;

    随着物联网技术的广泛应用,传统电源在使用时存在频繁更换或充电等问题,限制了可穿戴设备的发展。利用聚四氟乙烯(PTFE)和铝(Al)箔制备了接触-分离式摩擦纳米发电机(TENG),通过人体布设完成人体运动能量的采集,根据输出电信号的变化对人体运动姿态进行监测。此外,还设计了基于TENG的自供电跌倒检测系统,采用TENG进行人体能量收集,利用基于LTC3588芯片的能量管理电路实现电压转换,加速度传感器实现人体运动数据采集,最后通过串口传输至计算机显示。实测结果表明,该TENG的开路电压和短路电流分别为48 V和2.6μA,其结果验证了TENG具有输出电压高、电流低的特性。TENG作为自驱动传感器用于人体运动监测,在行走状态下输出电压最大值为63 V,在跑步状态下为116 V,在跳跃状态下达到130 V,根据输出特性可以准确判断人体当前运动状态。此外,对TENG的能量管理电路进行仿真和测试,结果表明其能够实现3.3 V稳压输出,可满足利用加速度传感器设计的跌倒检测系统的供电需求。

    2023年09期 v.60;No.556 1464-1472页 [查看摘要][在线阅读][下载 1774K]
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  • 基于桥臂电阻补偿的宽温区压力传感器优化设计

    涂孝军;石佑敏;范红梅;唐艳玲;李闯;

    针对航空领域中使用温区宽、测量介质和工作环境温差大、全温区精度要求高等特殊应用要求,通过压力芯片中桥臂电阻在不同温度下的阻值变化实现介质温度测量,并将该温度作为传感器后端调理芯片补偿的温度输入,从而消除了后端调理芯片和前端微电子机械系统(MEMS)芯片之间的温度差。同时,采用国产数字调理芯片,通过多温度、多压力点校准,实现宽温区高精度压力测量。结果表明,在-55~125℃范围内,极限180℃的温度梯度条件下,测量精度达到0.42%FS。该补偿方法不仅提高了传感器全温区精度,而且简化了电路结构、提升了产品整体可靠性,具有较好的工程化应用前景。

    2023年09期 v.60;No.556 1473-1480页 [查看摘要][在线阅读][下载 1337K]
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加工、测量与设备

  • 基于ICP-RIE工艺和共晶键合技术的微引擎

    周鑫;赖丽燕;李以贵;

    针对便携式设备的电源存在能量密度不够、电池寿命短、回收利用困难以及难以实现小型化等问题,设计了一种氢气作为燃料的微型往复式引擎来替代小型电源,其整体设计尺寸为52 mm×43 mm×4 mm。利用绝缘体上硅(SOI)基板制作了微型往复式引擎的零部件,包括上下盖板、燃烧室、活塞、弹簧和点火装置等;利用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀(ICP-RIE)得到垂直度接近90°的硅燃烧室、活塞等部件;利用Au-Si共晶键合等关键工艺,保证了上、下盖板与燃烧室等部件之间的气密性。为了验证微引擎的的可行性,搭建了一套测量燃烧压及活塞往复运动的实验装置,测得最大燃烧压约为50 kPa,活塞最大行程长度为1.6 mm,因此其具有广阔的应用前景。

    2023年09期 v.60;No.556 1481-1487页 [查看摘要][在线阅读][下载 1585K]
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  • 基于强脉冲光烧结的纳米颗粒银导线力学和电学性能

    尚豫博;孙权;鹿业波;严博;

    打印后烧结工艺是影响柔性银导线力学和电学性能的关键因素之一,其中非接触式的强脉冲光(IPL)烧结有着广阔的应用前景。采用多尺度银纳米颗粒导电墨水通过喷墨打印系统制备银导线,并应用强脉冲光烧结系统进行烧结,同时使用热压烧结进行对比研究。结果表明,当脉冲数量为3、总能量密度为5.358 J/cm~2时,由于单次脉冲的过量能量导致打印银线出现失效断裂。进一步对烧结参数进行优化,当脉冲数为12、总能量密度为6.173 J/cm~2时,打印银线的电阻率为15.228μΩ·cm。与热压烧结相比,强脉冲光烧结后样品的耐弯曲疲劳性能更加稳定,在一些样品不可直接接触的应用场景下有较大的应用潜力。

    2023年09期 v.60;No.556 1488-1494页 [查看摘要][在线阅读][下载 1659K]
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  • GaN基LED表面三维凹球结构的制备及其发光增强

    尹红星;毛鹏程;许冰;

    以紫外曝光技术为基础,得到了欠曝光条件下的三维凹球结构,结合菲涅尔衍射效应和邻近效应开发了一种制备密排三维周期性凹球结构的方法,并重点研究了掩膜版类型和光刻胶厚度对曝光图形的影响。实验结果表明,采用六方密排结构的明场掩膜图案,当光刻胶厚度为1.3~1.5μm时,可以得到周期为3~5μm、占空比接近100%的三维凹球结构阵列。该三维凹球结构阵列在LED发光增强及微透镜阵列等方面有广阔的应用前景,并在实验中实现了GaN基LED发光增强163.4%,通过角分辨分析得到LED发光在法线方向的30°~65°和115°~150°增强最为明显,扩大了LED光出射的角度,对LED作为显示器件增大可视角度具有重要意义。

    2023年09期 v.60;No.556 1495-1502页 [查看摘要][在线阅读][下载 1745K]
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  • 紫外光辅助调控MAPbBr3忆阻器非易失阻变性能

    赵思濛;仉佳艺;杨一鸣;徐姣;

    通过低温旋涂法在氧化铟锡(ITO)玻璃衬底上制备低缺陷密度、高结晶质量的MAPbBr_3钙钛矿薄膜,采用真空热蒸法蒸镀Au上电极,制备出三明治结构的MAPbBr_3钙钛矿忆阻器。对制备的忆阻器在黑暗环境下进行电学测试,结果表明忆阻器具有基础的开关特性,循环次数可以保持在10~15次,且具有良好的非易失特性与数据保持特性。最后对该忆阻器进行了紫外光辅助复位过程的电学测试,分析实验结果得出,紫外光辅助促使忆阻器复位过程的电压明显降低,且直流扫描循环次数增加到了30次以上,实现了器件的低功耗关断以及稳定开关多次的功能,紫外光辅助可提升MAPbBr_3忆阻器的非易失阻变性能。

    2023年09期 v.60;No.556 1503-1510页 [查看摘要][在线阅读][下载 1755K]
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  • 第九届全国新型半导体功率器件及应用技术研讨会暨第三代半导体产业融合创新发展(广州)论坛

    <正>为紧跟国际功率半导体器件技术发展步伐,推动我国新型半导体功率器件技术水平进一步提高,加快其成果转化和应用推广,增强自主创新能力。由中国半导体行业协会半导体分立器件分会主办的“第九届全国新型半导体功率器件及应用技术研讨会”于2023年11月23—25日在广州召开。本会议是继厦门、昆明、长沙、苏州、深圳、成都、重庆、无锡成功举办后,我国半导体功率器件及应用领域又一次重要的学术、技术交流活动,将为广大从事新型半导体功率材料、器件及其应用技术工作者提供一个高起点、大范围、多领域的沟通平台,增进产学研及应用端之间的技术交流,相互学习,共同提高。

    2023年09期 v.60;No.556 1480页 [查看摘要][在线阅读][下载 576K]
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