هل يمكن لأشباه الموصلات العضوية الجمع بين فوائد الجرافين والسيليكون؟

الإمكانات الضائعة لأشباه الموصلات المصنوعة من الجرافين

Graphene has long been considered a مادة معجزة، بخصائص استثنائية that may play a role in next-gen semiconductors. Its perception as a miracle material is multipronged due to its physical characteristics, as it is 200x stronger than steel, and its electron mobility is 140x faster in graphene than in silicon.

المصدر: Visual Capitalist

في البداية، اعتقد الباحثون الذين يدرسون الجرافين أنه يمكن أن يحل محل السيليكون في أشباه الموصلات. للأسف، يفتقر إلى خاصية إلكترونية أساسية تُسمى “فجوة الطاقة”.

فجوة الطاقة هي ما يحدد ما إذا كان يُعتبر المادة معدنًا (ينقل الكهرباء)، أو عازلًا (يمنع الكهرباء)، أو شبه موصل (يمكنه التبديل بين التوصيل والعزل).

المصدر: Energy Education

المشكلة هي أن الجرافين لا يمتلك فجوة طاقة على الإطلاق، مما يمنع استخدامه كشبه موصل.

مع ذلك، قد يكون هناك نوع آخر من المواد يمتلك نفس حركة الإلكترونات كالجرابين لكنه يظهر فجوة طاقة متوافقة مع قدرات أشباه الموصلات. تُسمى هذه المادة بوليمرًا عضويًا.

بناء أشباه الموصلات العضوية

ما يجعل الجرافين موصلًا للغاية هو عاملان:

1. إنه في الأساس مادة ثنائية الأبعاد، تُكوّن طبقة أحادية الذرة من ذرات الكربون مسطحة تمامًا.
2. يمكن للإلكترونات بين سداسيات الكربون أن تتدفق بحرية تقريبًا بين الهياكل الذرية المسماة الهيدروكربونات العطرية.

المصدر: Britannica

تُعد الهيدروكربونات العطرية شائعة جدًا في الطبيعة، لكن طبقة الجرافين الثنائية الأبعاد نادرة أكثر. ومع ذلك، تمتلك العديد من المواد العضوية القدرة على إظهار فجوة الطاقة التي تفتقدها الجرافين.

بحث الباحثون في جامعة بوهانغ للعلوم والتكنولوجيا (POSTECH) في كوريا الجنوبية، الأستاذ كيمون كيم، الأستاذ جي هون شيم، الأستاذ جون سونغ كيم، والدكتور يونغسانغ لي، عن طريقة لتحويل المادة العضوية العادية إلى شيء مشابه للجرافين.

المصدر: POSTECH

صنع بوليمرات عضوية ثنائية الأبعاد

ما يمنع البوليمرات العضوية من العمل كالجرافين هو أنه أثناء عملية البلمرة، يتسبب تكدس الطبقات المتداخلة في إعاقة نمو البوليمر.

اكتشف الباحثون أنه بإضافة مجموعات كيميائية تمنع ارتباط المونومرات (العائق المكاني)، يمكنهم كبح تكدس وسائط البوليمر ثنائية الأبعاد. كان البوليمر العضوي المستخدم هو ترايزاكورونين.

المصدر: POSTECH

ثم أضافوا إلى عملية تصنيع البوليمر خطوة تُسمى التحفيز من النوع p، وهي شائعة الاستخدام في إنتاج أشباه الموصلات. تشير إلى إضافة عناصر إلى مادة شبه موصل لجعلها أكثر توصيلًا.

المصدر: Wikipedia by VectorVoyager 

وصف الباحثون المادة الناتجة بأنها تتمتع بـ“موصلية كهربائية ممتازة”.

الإمكانات الضخمة لأشباه الموصلات العضوية

تحل هذه الإنجاز مشكلة انخفاض حركة الإلكترونات في أشباه الموصلات العضوية.

كما يُسهل التحكم في مسارات التوصيل للإلكترونات والثقوب على المستوى الجزيئي، وهي خطوة ضرورية لصنع الترانزستورات ورقائق الحوسبة من هذه المادة.

ومن الممكن أيضًا أن يُمنح الجرافين “فجوة طاقة”، وهو مسار تم استكشافه بمزيد من التفصيل في مقالتنا “أشباه الموصلات الجرافينية – هل وصلت أخيرًا؟“.

كلا من إمكانات أشباه الموصلات الجرافينية وأشباه الموصلات العضوية ذات المواصفات المشابهة للجرافين قد يكون لهما العديد من التطبيقات المحتملة.

بالطبع، هذا فقط إذا استمرينا في الحوسبة القائمة على أشباه الموصلات، بدلاً من الفوتونيات كما نوقش في “تقدم أشباه الموصلات – هل يمكن أن تُحوِّل أشعة “الدونات” إلى كتل “ليغو” لتقلب نهج الصناعة؟” أو الحوسبة الكمومية كما نوقشت في “الحالة الحالية للحوسبة الكمومية”.

أشباه الموصلات

بينما يقترب السيليكون من حدوده بسبب خصائصه الفيزيائية، قد تجعل الموصلية المشابهة للجرافين أشباه الموصلات العضوية مادة بديلة قابلة للتطبيق للحفاظ على صحة قانون مور، لأن الإلكترونات الأسرع تتحول إلى حوسبة أسرع.

هذا يضيف المادة العضوية إلى المرشحين لاستبدال السيليكون، إلى جانب الجرافين المحسن وتقنية العزل إلى موصل (IMT) مثل فانديميت الكربيد (يمكنك قراءة المزيد عن هذه التطورات في تكنولوجيا أشباه الموصلات في “مواكبة قانون مور باستخدام الركائز النشطة والحوسبة العصبية”).

البطاريات

صناعة أخرى تنظر في استخدام المواد العضوية لاستبدال المعادن هي صناعة البطاريات، التي تتلقى دفعة قوية من ازدهار السيارات الكهربائية والطاقة المتجددة.

إذا تمكنت المواد العضوية من إظهار خصائص مشابهة للجرافين، فقد تكون خيارًا للبطاريات الجرافينية، أحد العديد من كيميائيات بطاريات السيارات الكهربائية المحتملة، والتي ناقشناها في “مستقبل التنقل – تقنية البطاريات”.

شركات أشباه الموصلات

1. IBM

رائد تاريخي في الحوسبة، وأشباه الموصلات، وتصميم الرقائق، شركة إنترنشنال بزنس ماشينز (IBM) كانت حاضرة في معظم الابتكارات المتقدمة في الحوسبة وصناعة أشباه الموصلات.

يتضمن ذلك المواد العضوية الموصلة كما نوقشت في هذه المقالة، بالإضافة إلى الحوسبة العصبية، الحوسبة الكمومية، الفوتونيات، وغيرها.

بالاشتراك مع إنتل، تُعد IBM من بين الشركات التي تدفع بقوة نحو تقنيات حوسبة جديدة، ساعية لتكرار الحوسبة غير القائمة على السيليكون ونجاحاتها السابقة.

هذا يضع IBM في موقع جيد لاستغلال ميزانية البحث والتطوير الضخمة وشبكة شركائها البحثية لاستغلال اكتشافات مثل أشباه الموصلات العضوية المشابهة للجرافين.

2. ON Semiconductor Corporation

ON Semi هي شركة أشباه موصلات متخصصة في الكهربة، بما في ذلك في قطاع السيارات، وكذلك في قطاعات أخرى مثل الطاقة الشمسية، والبطاريات، والفضاء الجوي، والاتصالات، ومراكز البيانات، والطب. وبالتالي، هي شريك رئيسي للعديد من أكبر الشركات الصناعية في العالم.

المصدر: ON Semi

جزء كبير من ميزة ON Semi التكنولوجية يعتمد على كربيد السيليكون، وهو نوع من مركب السيليكون-الكربون يُستخدم في الأنظمة الكهربائية عالية الطاقة. يتيح ذلك بشكل ملحوظ أحمال طاقة عالية جدًا مطلوبة للشحن السريع للسيارات الكهربائية.

كربيد السيليكون هو المادة الكيميائية التي استخدمها الباحثون مؤخرًا لتطوير جرافين شبه موصل، كما نوقش في مقالتنا “أشباه الموصلات الجرافينية – هل وصلت أخيرًا؟”.

استراتيجية ON Semi للتركيز المتزايد على كربيد السيليكون أدت إلى حدوث طفرة في إيرادات الشركة خلال السنوات القليلة الماضية، مدفوعة بثورة السيارات الكهربائية.

يمكن أن تكون خبرة ON Semi في كربيد السيليكون وأشباه الموصلات العامة التي تستخدم الكربون ذات قيمة كبيرة في تصنيعية أشباه الموصلات القائمة على الجرافين أو المواد العضوية.

في الوقت نفسه، الحاجة إلى بطاريات وأنظمة كهربائية أكثر قوة وكفاءة، تجعل كربيدات السيليكون تصبح أكثر أهمية في سلسلة الإمداد العالمية. كقائد في هذا القطاع، من المرجح أن تستفيد ON Semi بشكل كبير من اتجاه الكهربة، خاصةً في مجال السيارات الكهربائية.

أخيرًا، من الممكن أيضًا أنه إذا كان لأشباه الموصلات العضوية تطبيقات في تكنولوجيا البطاريات، فإن الوجود القوي لـ ON Semi في هذا القطاع قد يساعدها لتكون واحدة من أولى الشركات القادرة على نشر هذه التقنية.