Μπορούν οι Οργανικοί Ημιαγωγοί να Συνδυάσουν τα Οφέλη του Γραφενίου & του Πυριτίου;

Το Χαμένο Δυναμικό του Ημιαγωγού Γραφενίου

Graphene has long been considered a miracle material, with exceptional characteristics 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.

Πηγή: Visual Capitalist

Αρχικά, οι ερευνητές που μελετούσαν το γραφένιο νόμιζαν ότι θα μπορούσε να αντικαταστήσει το πυρίτιο στα ημιαγωγούς. Δυστυχώς, του λείπει ένα βασικό ηλεκτρονικό χαρακτηριστικό που ονομάζεται «ζώνη ενέργειας».

Η ζώνη ενέργειας είναι αυτό που καθορίζει αν ένα υλικό θα θεωρηθεί μέταλλο (αγωγός ηλεκτρικού ρεύματος), μονωτής (αποκλείει το ρεύμα) ή ημιαγωγός (που μπορεί να εναλλάσσει μεταξύ αγωγιμότητας και μόνωσης).

Πηγή: Energy Education

Το πρόβλημα είναι ότι το γραφένιο δεν έχει καθόλου ζώνη ενέργειας, εμποδίζοντας τη χρήση του ως ημιαγωγός.

Ωστόσο, ένας άλλος τύπος υλικού θα μπορούσε να έχει την ίδια κινητικότητα ηλεκτρονίων με το γραφένιο, αλλά να εμφανίζει ζώνη ενέργειας συμβατή με τις δυνατότητες των ημιαγωγών. Αυτό το υλικό ονομάζεται οργανικό πολυμερές.

Κατασκευή Οργανικών Ημιαγωγών

Αυτά που κάνουν το γραφένιο τόσο αγώγιμο είναι δύο παράγοντες:

1. Αποτελεί ουσιαστικά ένα 2Δ υλικό, σχηματίζοντας ένα τέλεια επίπεδο μονοατομικό στρώμα ατόμων άνθρακα.
2. Τα ηλεκτρόνια μεταξύ των εξαγώνων του άνθρακα μπορούν να ρέουν σχεδόν ελεύθερα μεταξύ των ατομικών δομών που ονομάζονται aromatic hydrocarbons.

Πηγή: Britannica

Τα αρωματικά υδρογονάνθρακες είναι στην πραγματικότητα πολύ κοινά στη φύση, αλλά το 2Δ στρώμα του γραφενίου είναι πολύ πιο σπάνιο. Ωστόσο, πολλά οργανικά υλικά έχουν τη δυνατότητα να εμφανίσουν τη ζώνη ενέργειας που λείπει από το γραφένιο.

Ερευνητές του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας Ποχάνγκ της Νότιας Κορέας (POSTECH), καθηγητές Kimoon Kim, Ji Hoon Shim, Jun Sung Kim και ο Δρ. Yeongsang Lee, αναζήτησαν τρόπο να μετατρέψουν το συνηθισμένο οργανικό υλικό σε κάτι παρόμοιο με το γραφένιο.

Πηγή: POSTECH

Κατασκευή Οργανικών Πολυμερών 2Δ

Αυτό που εμποδίζει τα οργανικά πολυμερή να λειτουργούν όπως το γραφένιο είναι ότι κατά την πολυμερισμό τους, η στοίβαξη μεταξύ των στρωμάτων εμποδίζει την ανάπτυξη του πολυμερούς.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι προσθέτοντας χημικές ομάδες που εμποδίζουν τη σύνδεση μονομερών (στεροειδής παρεμπόδιση), μπορούσαν να καταστείλουν τη στοίβαξη των ενδιάμεσων δισδιάστατων πολυμερών. Το οργανικό πολυμερές που χρησιμοποιήθηκε ήταν τριαζακορονένιο.

Πηγή: POSTECH

Στη συνέχεια πρόσθεσαν στη σύνθεση του πολυμερούς ένα βήμα που ονομάζεται p-type doping, το οποίο χρησιμοποιείται συνήθως στην παραγωγή ημιαγωγών. Αυτό αναφέρεται στην προσθήκη στοιχείων σε ένα ημιαγωγό υλικό για να γίνει ακόμη πιο αγώγιμο.

Πηγή: Wikipedia by VectorVoyager 

Το προκύπτον υλικό περιγράφηκε από τους ερευνητές ως «εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα».

Το Μεγάλο Δυναμικό των Οργανικών Ημιαγωγών

Αυτή η επίτευξη λύνει το πρόβλημα των οργανικών ημιαγωγών που είχαν πολύ χαμηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων.

Επίσης, διευκολύνει τον έλεγχο των διαδρομών αγωγής για ηλεκτρόνια και οπές σε μοριακό επίπεδο, ένα απαραίτητο βήμα για την κατασκευή τρανζίστορ και υπολογιστικών τσιπ από αυτό το υλικό.

Είναι επίσης δυνατόν το γραφένιο να «δοθεί» μια ζώνη ενέργειας, μια άλλη διαδρομή που εξετάζεται λεπτομερέστερα στο άρθρο μας «Ημιαγωγοί Γραφενίου – Είναι Τελικά Εδώ;».

Τanto το δυναμικό των ημιαγωγών γραφενίου όσο και των οργανικών ημιαγωγών με προδιαγραφές παρόμοιες με το γραφένιο θα μπορούσαν να έχουν πολλές πιθανές εφαρμογές.

Φυσικά, αυτό ισχύει μόνο εάν συνεχίσουμε την υπολογιστική με βάση τους ημιαγωγούς, αντί για τη φωτονική όπως συζητείται στο «Προώθηση Ημιαγωγών – Μπορούν οι «Δονάτ» Δέσμες να γίνουν «Λέγκο» Τούβλα για να Ανατρέψουν τις Προσεγγίσεις της Βιομηχανίας;»» ή στην κβαντική υπολογιστική όπως συζητείται στο «Η Τρέχουσα Κατάσταση της Κβαντικής Υπολογιστικής».

Ημιαγωγοί

Ενώ το πυρίτιο φτάνει σε όριο λόγω των φυσικών του χαρακτηριστικών, η αγωγιμότητα παρόμοια με το γραφένιο θα μπορούσε να κάνει τα οργανικά ημιαγωγά να αποτελέσουν βιώσιμο υλικό αντικατάστασης για να διατηρηθεί η εγκυρότητα του νόμου του Μουρ, επειδή τα πιο γρήγορα ηλεκτρόνια μετατρέπονται σε ταχύτερη υπολογιστική.

Αυτό προσθέτει το οργανικό υλικό στους υποψηφίους για αντικατάσταση του πυριτίου, μαζί με το βελτιωμένο γραφένιο και τα Υλικό-Προς-Μεταλλικό (IMT) όπως το βανάδιο διόξειδο (μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για αυτές τις εξελίξεις στην τεχνολογία ημιαγωγών στο «Παρακολούθηση του Νόμου του Μουρ με Ενεργά Υποστρώματα και Νευρομορφική Υπολογιστική»).

Μπαταρίες

Μια άλλη βιομηχανία που εξετάζει τη χρήση οργανικού υλικού για αντικατάσταση των μετάλλων είναι η βιομηχανία μπαταριών, η οποία τροφοδοτείται από την άνθιση των ηλεκτρικών οχημάτων και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Εάν τα οργανικά υλικά μπορούν να εμφανίσουν ιδιότητες παρόμοιες με το γραφένιο, θα μπορούσαν να αποτελέσουν επιλογή για μπαταρίες γραφενίου, μία από τις πολλές πιθανές χημείες μπαταριών EV, που συζητήσαμε στο «Το Μέλλον της Κινητικότητας – Τεχνολογία Μπαταριών».

Εταιρείες Ημιαγωγών

1. IBM

Ένας ιστορικός πρωτοπόρος στην πληροφορική, τους ημιαγωγούς και το σχεδιασμό τσιπ, η International Business Machines Corporation (IBM) έχει συμμετάσχει στις περισσότερες καινοτομίες αιχμής στην πληροφορική και τη βιομηχανία ημιαγωγών.

Αυτό περιλαμβάνει αγώγιμα οργανικά υλικά όπως συζητήθηκε σε αυτό το άρθρο, αλλά επίσης νευρομορφική υπολογιστική, κβαντική υπολογιστική, φωτονική κ.λπ.

Μαζί με την Intel, η IBM βρίσκεται ανάμεσα στις εταιρείες που προωθούν πιο ενεργά νέες μορφές τεχνολογιών υπολογισμού, προσπαθώντας να επαναλάβουν την μη-πυριτιδική υπολογιστική και τις προηγούμενες επιτυχίες της.

Αυτό τοποθετεί την IBM σε καλή θέση για να αξιοποιήσει τον τεράστιο προϋπολογισμό Έ&Κ;Α και το δίκτυο ερευνητικών συνεργατών της ώστε να εκμεταλλευτεί ανακαλύψεις όπως οι οργανικοί ημιαγωγοί παρόμοιοι με το γραφένιο.

2. ON Semiconductor Corporation

Η ON Semi είναι μια εταιρεία ημιαγωγών που ειδικεύεται στην ηλεκτροποίηση, συμπεριλαμβανομένου του αυτοκινήτου, αλλά και σε άλλους τομείς όπως η ηλιακή ενέργεια, οι μπαταρίες, η αεροδιαστημική, οι τηλεπικοινωνίες, τα κέντρα δεδομένων και η ιατρική. Ως εκ τούτου, αποτελεί βασικό συνεργάτη για πολλές από τις μεγαλύτερες βιομηχανικές εταιρείες παγκοσμίως.

Πηγή: ON Semi

Ένα μεγάλο μέρος του τεχνολογικού πλεονεκτήματος της ON Semi βασίζεται στο καρβίδιο του πυριτίου, έναν τύπο σύνθεσης πυριτίου-άνθρακα που χρησιμοποιείται για συστήματα υψηλής ενέργειας. Επιτρέπουν ιδιαίτερα υψηλά φορτία ισχύος που απαιτούνται για τη γρήγορη φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων.

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι το χημικό που χρησιμοποιήθηκε πρόσφατα από ερευνητές για την ανάπτυξη ημιαγωγικού γραφενίου, όπως συζητείται στο άρθρο μας «Ημιαγωγοί Γραφενίου – Είναι Τελικά Εδώ;».

Η στρατηγική της ON Semi να εστιάσει περισσότερο στο καρβίδιο του πυριτίου οδήγησε σε άνοδο των εσόδων της τα τελευταία χρόνια, ενισχυμένη από την επανάσταση των ηλεκτρικών οχημάτων.

Η εξειδίκευση της ON Semi στο καρβίδιο του πυριτίου και γενικά στους ημιαγωγούς που χρησιμοποιούν άνθρακα θα μπορούσε να είναι πολύτιμη στην εκβιομηχάνιση ημιαγωγών βασισμένων είτε στο γραφένιο είτε σε οργανικά υλικά.

Στο μεταξύ, η ανάγκη για ολοένα πιο ισχυρές και αποδοτικές μπαταρίες και ηλεκτρικά συστήματα, τα καρβίδια του πυριτίου, γίνονται ολοένα πιο σημαντικά στην παγκόσμια αλυσίδα εφοδιασμού. Ως ηγέτης στον τομέα, η ON Semi πιθανότατα θα ωφεληθεί σημαντικά από την τάση της ηλεκτροποίησης, ιδιαίτερα των ηλεκτρικών οχημάτων.

Τέλος, είναι επίσης δυνατόν ότι εάν οι οργανικοί ημιαγωγοί έχουν εφαρμογές στην τεχνολογία μπαταριών, η ισχυρή παρουσία της ON Semi στον τομέα θα την βοηθήσει να είναι μία από τις πρώτες εταιρείες σε θέση να εφαρμόσει αυτήν την τεχνολογία.