Kan organiske halvledere kombinere fordelene ved grafen og silicium?

Grafens manglende potentiale som halvleder

Graphene har længe været betragtet som et mirakelmateriale med enestående egenskaber, som kan spille en rolle i næste generations halvledere. Det betragtes som et mirakelmateriale af flere grunde på grund af dets fysiske egenskaber, da det er 200 gange stærkere end stål, og dets elektronmobilitet er 140 gange hurtigere i grafen end i silicium.

Kilde: Visual Capitalist

I starten troede forskere, der studerede grafen, at det kunne erstatte silicium i halvledere. Desværre mangler det en vigtig elektronisk egenskab kaldet et “båndgab”.

Et båndgab bestemmer, om et materiale betragtes som en metal (leder elektricitet), en isolator (blokerer elektricitet) eller en halvleder (der kan skifte mellem at være ledende og isolerende).

Kilde: Energy Education

Problemet er, at grafen overhovedet ikke har noget båndgab, hvilket forhindrer dets brug som en halvleder.

Dog kunne en anden materialetype have den samme elektronmobilitet som grafen, men vise et båndgab, der er kompatibelt med halvlederegenskaber. Dette materiale kaldes en organisk polymer.

Opbygning af organiske halvledere

Det, der gør grafen så ledende, er to faktorer:

1. Det er i bund og grund et 2D-materiale, der danner et perfekt fladt monoatomisk lag af carbonatomer.
2. Elektronerne mellem carbonhexagonerne kan flyde næsten frit mellem de atomære strukturer, der kaldes aromatiske kulbrinter.

Kilde: Britannica

Aromatiske kulbrinter er faktisk meget almindelige i naturen, men det 2D-lag af grafen er meget sjældnere. Dog har mange organiske materialer potentialet til at vise det båndgab, der mangler i grafen.

Forskere ved Sydkoreas Pohang University of Science and Technology (POSTECH), Pr. Kimoon Kim, Pr. Ji Hoon Shim, Pr. Jun Sung Kim og Dr. Yeongsang Lee, søgte efter en måde at omdanne almindeligt organisk materiale til noget, der ligner grafen.

Kilde: POSTECH

Fremstilling af organiske polymerer i 2D

Det, der forhindrer organiske polymerer i at fungere som grafen, er at under deres polymerisation blokerer lag-til-lag-stakning polymerens vækst.

Forskerne fandt ud af, at ved at tilsætte kemiske grupper, der blokerer monomerernes binding (sterisk hindring), kunne de undertrykke stakningen af to-dimensionelle polymerintermediater. Den anvendte organiske polymer var triazacoronene.

Kilde: POSTECH

Derefter tilføjede de til polymersyntesen et trin kaldet p-type doping, som almindeligt bruges i produktionen af halvledere. Dette refererer til at tilføre elementer til et halvledermateriale for at gøre det endnu mere ledende.

Kilde: Wikipedia by VectorVoyager 

Det resulterende materiale er blevet beskrevet af forskerne som at have “enestående elektrisk ledningsevne”.

Det enorme potentiale for organiske halvledere

Denne præstation løser problemet med, at organiske halvledere har for lav elektronmobilitet.

Det gør det også lettere at kontrollere ledningsvejene for elektroner og huller på molekylært niveau, et nødvendigt skridt for at fremstille transistorer og computerchips af dette materiale.

Det er også muligt, at grafen kan “få” et båndgab, en anden vej, der udforskes i detaljer i vores artikel “Grafenhalvledere – Er de endelig her?”.

Både potentialet for grafenhalvledere og organiske halvledere med grafenlignende specifikationer kan have mange mulige anvendelser.

Selvfølgelig er det kun, hvis vi fortsætter med at beregne baseret på halvledere, i stedet for fotonik som diskuteret i “Fremskridt inden for halvledere – Kan ‘Donut’-stråler til ‘Lego’-klodser sætte gang i en omvæltning af industriens tilgange?” eller kvantecomputing som diskuteret i “Den aktuelle tilstand for kvantecomputing”.

Halvledere

Mens silicium nærmer sig en grænse på grund af sine fysiske egenskaber, kan grafenlignende ledningsevne gøre organiske halvledere til et levedygtigt erstatningsmateriale for at holde Moores lov gyldig, fordi hurtigere elektroner omdannes til hurtigere beregning.

Dette tilføjer organisk materiale til kandidaterne for at erstatte silicium, sammen med forbedret grafen og Insulator-til-Metal (IMT) som vanadiumdioxid (du kan læse mere om disse fremskridt inden for halvlederteknologi i “Hold trit med Moores lov med aktive substrater og neuromorfisk computing”).

Batterier

En anden industri, der ser på at bruge organisk materiale til at erstatte metaller, er batteriindustrien, som drives af boomet i elbiler og vedvarende energi.

Hvis organiske materialer kan vise grafenlignende egenskaber, kunne de være et alternativ til grafenbatterier, en af de mange mulige batterikemi til elbiler, som vi diskuterede i “Fremtiden for mobilitet – Batteriteknologi”.

Halvledervirksomheder

1. IBM

En historisk pioner inden for computing, halvledere og chipdesign, International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) har været til stede i de fleste banebrydende innovationer inden for computing og halvlederindustrien.

Dette inkluderer ledende organiske materialer som diskuteret i denne artikel, men også neuromorfisk computing, kvantecomputing, fotonic osv.

Sammen med Intel (INTC ) er IBM blandt de virksomheder, der mest aggressivt driver nye former for computing-teknologier, med mål om at efterligne ikke-silicium computing og dets tidligere succeser.

Dette placerer IBM i en god position til at udnytte sit massive FoU-budget og netværk af forskningspartnere til at udnytte opdagelser som grafenlignende organiske halvledere.

2. ON Semiconductor Corporation

ON Semi er en halvledervirksomhed, der specialiserer sig i elektrificering, herunder inden for bilindustrien, men også i andre sektorer som solenergi, batterier, rumfart, telekommunikation, datacentre og medicinsk. Som sådan er den en nøglepartner for mange af verdens største industrivirksomheder.

Kilde: ON Semi

En stor del af ON Semis teknologiske fordel er baseret på siliciumkarbid, en type silicium-kulstofforbindelse, der bruges til højenergi-elektriske systemer. De muliggør især meget høje effektbelastninger, der kræves for hurtig opladning af elbiler.

Siliciumkarbid er det kemikalie, som forskere for nylig har brugt til at udvikle halvledende grafen, som diskuteret i vores artikel “Grafenhalvledere – Er de endelig her?”.

ON Semis strategi med at satse endnu mere på siliciumkarbid har ført til, at virksomheden har oplevet en indtægtsstigning i de sidste par år, drevet af elbilrevolutionen.

ON Semis ekspertise inden for siliciumkarbid og generelt halvledere, der bruger kulstof, kan være uvurderlig i industrialiseringen af halvledere baseret på enten grafen eller organiske materialer.

I mellemtiden bliver behovet for stadig mere kraftfulde og effektive batterier og elektriske systemer, siliciumkarbider, stadig vigtigere i den globale forsyningskæde. Som en leder i sektoren vil ON Semi sandsynligvis drage stor fordel af elektrificeringstrenden, især elbiler.

Endelig er det også muligt, at hvis organiske halvledere har anvendelser inden for batteriteknologi, kan ON Semis stærke tilstedeværelse i sektoren hjælpe dem med at blive en af de første virksomheder, der er i stand til at implementere denne teknologi.