2016年,全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售額達(dá)到最高,為3390億美元。與此同時(shí),半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在芯片上的投入約為72億美元,作為微電子元件的基板,這些芯片可以用來(lái)制作晶體管、發(fā)光半導(dǎo)體和其他電子元器件。
在半導(dǎo)體銷(xiāo)售額不斷增長(zhǎng)的今天,如何能夠更好的減少的隨之而來(lái)的在半導(dǎo)體芯片方面的投入是未來(lái)不得不面對(duì)的問(wèn)題。目前很多廠(chǎng)商和研究機(jī)構(gòu)都在尋找新的方法。
近日,由麻省理工學(xué)院的工程師研制的一種新技術(shù),可以大大減少晶圓技術(shù)的投入,與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝相比,這種技術(shù)能夠使設(shè)備更加多元化和更高的性能。
在《自然》雜志上公布的這項(xiàng)新技術(shù)使用的是石墨烯材料——單原子層石墨——就如同復(fù)制機(jī)器一般能夠?qū)⒌讓拥牟牧闲阅軓?fù)制到頂層。
什么是石墨烯材料
石墨烯是一種二維晶體,人們常見(jiàn)的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的,石墨的層間作用力較弱,很容易互相剝離,形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后,這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。
自從石墨烯在2003年被發(fā)現(xiàn)以來(lái),研究者發(fā)現(xiàn)它具有優(yōu)異的強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。最后一種性質(zhì)使得這種材料非常適合用來(lái)制作電路中的微小接觸點(diǎn),但最理想是用石墨烯自己制成電子元件——特別是晶體管。
要做到這點(diǎn),石墨烯不僅需要充當(dāng)導(dǎo)體,也要有半導(dǎo)體的功能,這是電子元件需要進(jìn)行的通斷切換操作的關(guān)鍵。半導(dǎo)體由其帶隙所定義的,帶隙指的是激發(fā)一個(gè)電子,讓它從不能導(dǎo)電的價(jià)帶躍遷到可以導(dǎo)電的導(dǎo)帶所需要的能量。帶隙必須足夠大,這樣來(lái)使得晶體管開(kāi)和關(guān)之間的狀態(tài)才對(duì)比明顯,這樣它才能準(zhǔn)確無(wú)誤地處理信息。
常規(guī)的石墨烯是沒(méi)有帶隙的——它特殊的波紋狀價(jià)帶和導(dǎo)帶實(shí)際上是連在一起的,這使得它更像是金屬。盡管如此,科學(xué)家們?cè)噲D分開(kāi)這兩個(gè)帶。通過(guò)把石墨烯制造成奇特的形狀,如帶狀,目前最高可以讓帶隙達(dá)到100meV,但這對(duì)電子工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)還是太小了。
相對(duì)于通過(guò)前端設(shè)計(jì)提升微結(jié)構(gòu)來(lái)提高芯片性能,通過(guò)后端設(shè)計(jì)來(lái)提升主頻顯然更加簡(jiǎn)單粗暴,研發(fā)周期也更短(微結(jié)構(gòu)研發(fā)一般要3年),更適合商業(yè)推廣。
硅基材料集成電路主頻越高,熱量也隨之提高,并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的8.4G,日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G,筆記本電腦為了控制CPU功耗,主頻普遍控制在2G到3G之間。
但如果使用石墨烯材料,那么結(jié)果就可能不同了。因?yàn)橄鄬?duì)于現(xiàn)在普遍使用的硅基材料,石墨烯在室溫下?lián)碛?0倍的高載流子遷移率,同時(shí)具有非常好的導(dǎo)熱性能,芯片的主頻理論上可以達(dá)到300G,并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前,IBM在實(shí)驗(yàn)室中的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管主頻達(dá)155G。
因此,在前端設(shè)計(jì)水平相當(dāng)?shù)那闆r下,使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強(qiáng)幾十倍,隨著技術(shù)發(fā)展,進(jìn)一步挖掘潛力,性能可能會(huì)是傳統(tǒng)硅基芯片的上百倍!同時(shí)還擁有更低的功耗。
石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用
作為新興材料,石墨烯能廣泛應(yīng)用于燃料電池、材料改性、防銹防滑、海水淡化、軍事工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域,這已經(jīng)是業(yè)界共識(shí)。事實(shí)上,由于在已知材料中電阻率最小、導(dǎo)熱系數(shù)最高,所以石墨烯被認(rèn)為是最理想的電極和半導(dǎo)體材料,其最佳、最具潛力的應(yīng)用是成為“硅”的替代品,用來(lái)制造超微型晶體管,生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。
眾所周知,過(guò)去幾十年,硅幾乎是制造芯片的唯一選擇,以硅為材料的各類(lèi)型芯片在制程工藝上快要達(dá)到了物理極限(7納米),這極大的限制了各類(lèi)計(jì)算芯片處理性能的提升。然而,科技永遠(yuǎn)是在進(jìn)步的,石墨烯的問(wèn)世或許能有效的解決硅基材料的物理極限問(wèn)題。那么,石墨烯在電極和半導(dǎo)體領(lǐng)域究竟能做哪些事情呢?
1、光電半導(dǎo)體產(chǎn)品。以其非常好的透光性、導(dǎo)電性和可彎曲性,在觸摸屏、可穿戴設(shè)備、OLED等領(lǐng)域中發(fā)揮作用。這也是目前公認(rèn)最可能首先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的領(lǐng)域。
2、制造傳感器。石墨烯因其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu),且具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn),能提升傳感器的各項(xiàng)性能。隨著物聯(lián)網(wǎng)和和可穿戴技術(shù)的不斷發(fā)展,未來(lái)對(duì)傳感器的需求將會(huì)越來(lái)越高,相信石墨烯能夠扮演不錯(cuò)的角色。
3、微電子器件。由于物理極限的限制,石墨烯在未來(lái)的晶圓、計(jì)算芯片以及各類(lèi)型的微電子器件中都能擔(dān)當(dāng)大任,并發(fā)揮其獨(dú)特的性能。
舉例來(lái)說(shuō),目前主流的4G系統(tǒng)基站雖然已經(jīng)采用了負(fù)責(zé)基帶處理的BBU+負(fù)責(zé)射頻的RRU通過(guò)光纖拉遠(yuǎn)的架構(gòu),但由于機(jī)房站址資源日益稀缺和高成本,將BBU集中設(shè)置以節(jié)省機(jī)房的需求越來(lái)越強(qiáng)烈,同時(shí)也要求對(duì)基帶資源共享、集中調(diào)度等功能的實(shí)現(xiàn)。
由于基帶信號(hào)對(duì)帶寬和各項(xiàng)處理資源的消耗很大,現(xiàn)有芯片和背板處理速度根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的基帶資源集中調(diào)度和共享,同時(shí)在散熱、功耗等方面也面臨很大挑戰(zhàn)。
若采用石墨烯材料,不但芯片處理能力、數(shù)據(jù)交換速率能得到大幅提升,石墨烯良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和耐溫特性也使得在散熱、功耗方面的要求降低,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)處理能力達(dá)到上萬(wàn)載頻的集中式基帶資源池。
目前,不少研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始將石墨烯技術(shù)應(yīng)用到半導(dǎo)體領(lǐng)域了。諸如,新加坡南洋理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的敏感度是普通傳感器1000倍的石墨烯光傳感器;美國(guó)哥倫比亞大學(xué)研發(fā)出的石墨烯-硅光電混合芯片;IBM研究人員開(kāi)發(fā)出的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管等等,都為石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用指明了方向。
不一樣的石墨烯應(yīng)用技術(shù)
近年來(lái),與石墨烯相關(guān)的研究和產(chǎn)業(yè)化正在持續(xù)升溫。
歐盟委員會(huì)在2013年將石墨烯列為“未來(lái)新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一,該項(xiàng)目的研究范圍十分廣泛,其中石墨烯的制備是核心;韓國(guó)政府則投入研發(fā)費(fèi)用14億美元,把石墨烯材料及產(chǎn)品定為未來(lái)革新產(chǎn)業(yè)之一;從2006年開(kāi)始,美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金資助的石墨烯相關(guān)項(xiàng)目達(dá)到兩百多項(xiàng);而日本學(xué)術(shù)振興機(jī)構(gòu)也從2007年起開(kāi)始對(duì)石墨烯相關(guān)材料、器件技術(shù)進(jìn)行資助。
按照最新公布的技術(shù),工程師已經(jīng)精心設(shè)計(jì)了控制程序,將單層的石墨烯材料放在價(jià)格昂貴的晶圓上,然后在這些石墨烯層面上生成半導(dǎo)體材料。
這些工程師發(fā)現(xiàn),石墨烯有非常良好的性能,使頂層的材料性能完全復(fù)制到底層的晶體,所印制的圖案完全不受石墨烯的影響。
石墨烯的性能也非?!捌交?,這使得石墨烯很能與其他材料融合,這樣工程師就能夠非常簡(jiǎn)單的將頂層的晶圓從石墨烯上剝離。
JeehwanKim,在機(jī)械工程和材料科學(xué)的課程上曾經(jīng)表示,傳統(tǒng)的半導(dǎo)體生成襯底,在生成半導(dǎo)體晶圓的時(shí)候,具有很強(qiáng)的粘性,這就是的,在不損害上下兩層晶圓的情況下將襯底剝離幾乎是不可能的事情。
Kim表示:“最終我們不得不犧牲其中一層,最終會(huì)黏著在設(shè)備上。”
隨著新技術(shù)的廠(chǎng)商,Kim認(rèn)為,未來(lái),制造商能夠使用石墨烯作為襯底,在襯底上生成晶圓。這種方法,除了可以節(jié)省晶圓的成本之外,也能夠?yàn)榘雽?dǎo)體材料開(kāi)拓更多的機(jī)會(huì)。
“半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)硅晶圓所束縛,由于成本的原因,即使我們知道有很好的方法來(lái)提高性能,也無(wú)法將其用于商業(yè)?!盞im表示,“現(xiàn)在這種材料將能夠使我們?cè)诎雽?dǎo)體的材料選擇和性能方面更加自由。”
從電學(xué)特性到機(jī)械特性的轉(zhuǎn)變
自從2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯材料以來(lái),研究人員一直致力于研究其電學(xué)特性,以期提高電子器件的性能,降低成本。石墨烯是一種非常好的材料,電流在流過(guò)石墨烯之后幾乎沒(méi)有什么損耗。
基于這個(gè)原因,研究人員一直致力于將石墨烯做成廉價(jià)、高性能的半導(dǎo)體的方法。
Kim表示,人們希望我們能夠找到方法將石墨烯制作成真正的電子設(shè)備,但是事實(shí)證明,這是一件非常困難的事情。
事實(shí)上,阻止電子流過(guò)石墨烯層是非常困難的,這種也行使得石墨烯能夠成為一種非常好的導(dǎo)體,但是做半導(dǎo)體性能就很差。
Kim的團(tuán)隊(duì)采用了一種全新的方法,使得在半導(dǎo)體中使用石墨烯成為現(xiàn)實(shí)。研究人員轉(zhuǎn)變了思路,沒(méi)有過(guò)多的關(guān)注石墨烯的點(diǎn)穴特性,而是專(zhuān)注于研究石墨烯的機(jī)械特性。
“我們非常有信心能夠在半導(dǎo)體中使用石墨烯材料,這是基于石墨烯良好的材料特性?!盞im表示。
“非常有趣的是,石墨烯內(nèi)部只有很弱的范德華力,這意味著石墨烯在垂直方向上沒(méi)有很大的引力,所以石墨烯的表面會(huì)很滑?!?/p>
石墨烯的復(fù)制與剝離
該團(tuán)隊(duì)表示,超薄的石墨烯層能夠擁有非常好的特性,可以?shī)A在襯底和半導(dǎo)體層之間,為其提供一個(gè)幾乎難以察覺(jué)的表面,允許半導(dǎo)體材料中的原子重新排列,形成性能非常好的半導(dǎo)體材料。
這一方法一旦被采用,在石墨烯上印制半導(dǎo)體材料之后,制造商能夠很容易的將石墨烯材料剝離,這一方法能夠極大的降低晶圓的損耗。
研究小組還發(fā)現(xiàn),這一名為“遠(yuǎn)程外延”的技術(shù),能夠成功的復(fù)制和剝離來(lái)自另一半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體特性。
研究人員已經(jīng)成功的將這一方法應(yīng)用于晶圓和半導(dǎo)體材料中,包括磷化銦,磷化鎵等多種比硅還要昂貴的材料。
Kim表示,這項(xiàng)技術(shù)在理論上能夠是制造上無(wú)限次的重復(fù)使用晶圓——從硅和半導(dǎo)體材料的角度。
“這是一種非常特別的石墨烯使用方法?!笔┎牧涎芯康南闰?qū),哈佛大徐的物理學(xué)教授,PhilipKim在談到這一技術(shù)時(shí)表示,即便他并沒(méi)有參加這一研究小組。“這一技術(shù)能夠很容易的整合到現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造過(guò)程中去,并能夠徹底的改變半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生成方式,從而形成全新的電子元器件和光學(xué)器件。”
難以預(yù)估的未來(lái)
石墨烯的剝離技術(shù)也可能在未來(lái)改變?nèi)嵝噪娮釉骷陌l(fā)展進(jìn)程。一般來(lái)說(shuō),晶圓都是非常堅(jiān)硬的,與這些晶圓整合在一起的設(shè)備也是同樣的難以任意彎曲。Kim表示,使用這一技術(shù),像太陽(yáng)能和LED這樣的半導(dǎo)體設(shè)備在未來(lái)都可能任意彎曲和扭轉(zhuǎn)。
眾所周知,三星已經(jīng)開(kāi)始了可彎曲、可折疊智能手機(jī)的設(shè)計(jì)工作,像LG甚至是國(guó)產(chǎn)OPPO也都已經(jīng)開(kāi)始探索柔性顯示屏。三星目前呼聲最高,被認(rèn)為2019年就能夠發(fā)布折疊手機(jī),該機(jī)型將會(huì)是GalaxyX系列,主要得益于自家技術(shù)的柔性O(shè)LED顯示屏幕。
事實(shí)上并非如此,一款真正可彎曲或可折疊的智能手機(jī),除了柔性屏幕之外還有很多技術(shù)問(wèn)題需要解決,尤其是內(nèi)部組件,包括電池、電路和嵌入到主板上的各種元器件等等,這些東西也都要實(shí)現(xiàn)柔性可彎曲才算得上真正靈活多變。雖然從技術(shù)角度上來(lái)說(shuō),實(shí)現(xiàn)柔性?xún)?nèi)部組件可能要等待很長(zhǎng)一段時(shí)間,但確實(shí)已經(jīng)有這方面的研發(fā)成果了。
事實(shí)上,該研究小組已經(jīng)在麻省理工學(xué)院使用這一技術(shù)制造了一個(gè)柔性L(fǎng)ED顯示屏,來(lái)演示這一技術(shù)的可行性。
“想象一下,如果你想在自己的汽車(chē)中安裝太陽(yáng)能電池,但是現(xiàn)在的技術(shù)很難在汽車(chē)中安裝彎曲的太陽(yáng)能電池,這一技術(shù)使得這成為了可能。”Kim表示。“未來(lái)這一技術(shù)可以在汽車(chē)上做涂層或者是整合到衣服中去?!?/p>
未來(lái),研究人員技術(shù)用這一技術(shù)設(shè)計(jì)“母片”,然后在這些母片上制作各種材料。
利用石墨烯材料,研究團(tuán)隊(duì)希望能夠制造出更多高性能的設(shè)備。目前,他們還在研究將這一技術(shù)應(yīng)用到半導(dǎo)體設(shè)備和復(fù)合結(jié)構(gòu)中去。
“現(xiàn)在,使用特殊的材料成為一種趨勢(shì)?!盞im表示,“以后,再也不需要擔(dān)心芯片的成本了。使用這一技術(shù),在母片上生成半導(dǎo)體設(shè)備,然后剝離之后重新使用,極大的降低了成本?!?/p>
目前這一技術(shù)有麻省理工學(xué)院和LG電子研究中心合作的項(xiàng)目進(jìn)行支持。
由于石墨烯在散熱、導(dǎo)電、透光等方面性能優(yōu)良,并且韌性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,所以自發(fā)現(xiàn)以來(lái)得到了快速發(fā)展,其產(chǎn)業(yè)形態(tài)基本形成。有分析認(rèn)為,到2020年全球石墨烯產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值有望達(dá)到2.78億美元,這顯示其市場(chǎng)前景十分廣闊。
中國(guó)石墨烯制造處于世界領(lǐng)先地位
石墨烯在中國(guó)落地已六年有余,有關(guān)石墨烯的身份角色及應(yīng)用場(chǎng)景的爭(zhēng)議從未停止過(guò)。
也許有人會(huì)說(shuō)這么好的東西,那價(jià)格鐵定死貴啊,我等老百姓何時(shí)才能用上啊……
其實(shí)石墨烯一點(diǎn)也不貴,因?yàn)槿虻谝粭l和第二條真正實(shí)現(xiàn)規(guī)?;?、低成本、高品質(zhì)的石墨烯生產(chǎn)線(xiàn)就在中國(guó)!在2013年底,寧波墨西科技有限公司和重慶墨??萍加邢薰鞠群蠼ǔ赡戤a(chǎn)300噸石墨烯生產(chǎn)線(xiàn)和年產(chǎn)100萬(wàn)平米的生產(chǎn)能力的石墨烯薄膜生產(chǎn)線(xiàn),并將石墨烯的制造成本從每克5000元降至每克3元。
2015年年初,浙大教授高超成功研發(fā)了一種新型、廉價(jià)、無(wú)毒的鐵系氧化劑,使石墨烯制備過(guò)程快、成本低、無(wú)污染,適用于工業(yè)化大規(guī)模制備?!蹲匀弧ㄓ崱穼徃迦藢?duì)該技術(shù)的評(píng)價(jià)是“該方法對(duì)石墨烯未來(lái)的進(jìn)一步應(yīng)用具有重要意義?!?/p>
在石墨烯的應(yīng)用上,中國(guó)研究人員也已拿出了有分量的成果。中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院成功制備出國(guó)內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯顯示屏,該項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用于今年上市的一款名為“開(kāi)拓者α”的手機(jī),該手機(jī)在采用由中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院和中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所開(kāi)發(fā)的石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜等新材料后,手機(jī)觸控屏幕不偏色不泛黃,色彩真實(shí)、純凈,通透性也比傳統(tǒng)屏幕好,手機(jī)充電速率提高了40%,電池壽命延長(zhǎng)了50%,電池的能量密度也增加10%。
石墨烯的發(fā)現(xiàn)者安德烈·海姆曾公開(kāi)表示,中國(guó)石墨烯的產(chǎn)業(yè)化水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位。
從專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量這一指標(biāo)來(lái)看,中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2015年中國(guó)石墨烯相關(guān)專(zhuān)利受理數(shù)量為7522件,居全球首位,美、韓緊隨其后。
目前國(guó)內(nèi)約有400多家經(jīng)營(yíng)石墨烯業(yè)務(wù)的企業(yè),將石墨烯作為主營(yíng)業(yè)務(wù)的約70家,多呈小型、初創(chuàng)等特點(diǎn)。按經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)劃分,還可進(jìn)一步分為粉材企業(yè)和膜材企業(yè),前者數(shù)量約50家,后者約10家。
“中國(guó)的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要依托于民營(yíng)企業(yè)、中小企業(yè)以及上市公司的投入,主要目的是為了解決現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)提升轉(zhuǎn)型。”中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng)李義春向界面新聞?dòng)浾咧赋?,?guó)內(nèi)的石墨烯產(chǎn)品多為針對(duì)兩三年以?xún)?nèi)可以形成產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。
“例如將石墨烯添加到現(xiàn)有材料里提升其性能?!彼f(shuō),“石墨烯的高端應(yīng)用需要大量資金投入,三五年后才可能形成產(chǎn)業(yè)應(yīng)用,民營(yíng)企業(yè)很難有實(shí)力去進(jìn)行布局?!?/p>
石墨烯民用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成為主流,是中國(guó)石墨烯行業(yè)現(xiàn)階段的特點(diǎn)之一。該類(lèi)產(chǎn)品直接面向個(gè)人消費(fèi)者,產(chǎn)品的市場(chǎng)驗(yàn)證時(shí)間不長(zhǎng);工業(yè)類(lèi)產(chǎn)品因?yàn)橄掠慰蛻?hù)對(duì)材料的應(yīng)用需要很多工程化的驗(yàn)證,則需要相對(duì)較長(zhǎng)的驗(yàn)證時(shí)間,所以目前市場(chǎng)占比并不大。
低端化為主,中國(guó)應(yīng)用仍需努力
在2014-2016年間,國(guó)內(nèi)企業(yè)相繼推出了石墨烯內(nèi)衣褲、U形枕、輪胎、涂料、加熱片、移動(dòng)電源、保健用品等產(chǎn)品,多將石墨烯粉體添加至各類(lèi)產(chǎn)品中改善性能,應(yīng)用領(lǐng)域極廣。但因用量較少且不發(fā)揮主要作用,石墨烯只能作為輔助材料使用,由此獲得了“工業(yè)味精”的稱(chēng)號(hào)。
隨著技術(shù)的不斷成熟和進(jìn)步,石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用形態(tài)和方式還會(huì)有很多。雖然石墨烯大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還沒(méi)開(kāi)始,但在各國(guó)政府和企業(yè)大量資金、人力、物力的投入下,相信已經(jīng)不遠(yuǎn)了。
但是,中國(guó)目前推出的石墨烯產(chǎn)品普遍呈低端化特點(diǎn),還沒(méi)有發(fā)揮石墨烯的“真正能量”。中國(guó)市場(chǎng)要想將石墨烯材料用于芯片等高端應(yīng)用領(lǐng)域還有很長(zhǎng)的路要走!
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