Γραφένια Ημιαγωγοί – Είναι Τελικά Εδώ;

Σήμερα, τα ημιαγωγοί τροφοδοτούν τον σύγχρονο κόσμο. Αποτελούν τη ραχοκοκαλιά των ηλεκτρονικών συσκευών, και μια ανακάλυψη στοχεύει να μετασχηματίσει ουσιαστικά τη βιομηχανία ηλεκτρονικών. 

Επίσης γνωστοί ως μικροτσίπ ή ολοκληρωμένα κυκλώματα (ICs), ημιαγωγοί είναι υλικά που έχουν ηλεκτρική αγωγιμότητα μεταξύ εκείνης των αγωγών όπως το αλουμίνιο και ο χαλκός και των μονωτών όπως η κεραμική και το γυαλί.

Οι ημιαγωγοί είναι ευαίσθητοι στο φως και στη θερμότητα, και η αντίστασή τους μεταβάλλεται. Η αντιστροφία ενός ημιαγωγού μειώνεται καθώς η θερμοκρασία του αυξάνεται, σε αντίθεση με τη συμπεριφορά των μετάλλων.

Μερικά παραδείγματα ημιαγωγών περιλαμβάνουν το πυρίτιο και το γερμάνιο, τα οποία είναι καθαρά στοιχεία και μπορούν εύκολα να βρεθούν στη φύση. Υπάρχουν επίσης ενώσεις όπως το σεληνίδιο καδμίου και το αρσενικό γαλλίου. Επιπλέον, για να τροποποιηθεί η αγωγιμότητα ή οι ιδιότητες των υλικών, προστίθενται μικρές ποσότητες ακαθαρσιών σε καθαρούς ημιαγωγούς μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται ντόπινγκ.

Έτσι, ανάλογα με την καθαρότητά τους, οι ημιαγωγοί ταξινομούνται σε — ενδογενείς ημιαγωγούς, που είναι φυσικά υλικά αποτελούμενα από έναν μόνο τύπο ατόμου και μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας σε συσκευές, και εξωγενείς ημιαγωγούς, που πρέπει πρώτα να ντοπινγκαριστούν για να χρησιμοποιηθούν σε συσκευές. Η μετατροπή των ενδογενών ημιαγωγών δημιουργεί δύο τύπους εξωγενών ημιαγωγών: N-τύπου ή δότες και P-τύπου ή αποδέκτες.

Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται για διόδους, που μετατρέπουν εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές, ή τρανζίστορ ή ενισχυτές ρεύματος, και για ηλεκτρονικά κυκλώματα, που είναι απαραίτητα στην κατασκευή διαφόρων τύπων ηλεκτρονικών συσκευών.

Με τους ημιαγωγούς, έχουμε το πλεονέκτημα του ότι δεν υπάρχουν νήματα. Ως εκ τούτου, δεν χρειάζεται να θερμαίνονται για να εκκρίνουν ηλεκτρόνια. Αυτό σημαίνει επίσης ότι οι ημιαγωγοί μπορούν να λειτουργούν αμέσως. Επιπλέον, είναι μικρού μεγέθους· συνεπώς, είναι συμπαγείς, φορητοί και καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια. Επίσης, οι ημιαγωγοί δεν είναι πολύ ακριβοί.

Οι ημιαγωγοί είναι αναπόσπαστο μέρος της ζωής μας, καθώς χωρίς αυτούς δεν θα υπήρχαν τηλεόραση, ραδιόφωνο, υπολογιστές, smartphones, αυτοκίνητα, ψυγεία και βιντεοπαιχνίδια. Οι ημιαγωγοί επιτρέπουν τη δημιουργία μικροσκοπικών διακοπτών που μπορούν να ανοίγουν και να κλείνουν για να ελέγχουν τη ροή του ηλεκτρισμού, καθώς αυτό το ρεύμα που ρέει μέσω των ηλεκτρικών κυκλωμάτων επιτρέπει στις ηλεκτρονικές συσκευές να λειτουργούν.

Αυτό καθιστά τους ημιαγωγούς ένα απαραίτητο στοιχείο των ηλεκτρονικών συσκευών για να επιτρέπουν προόδους στην υπολογιστική, τις επικοινωνίες, την υγειονομική περίθαλψη, τις μεταφορές, την καθαρή ενέργεια, την άμυνα, τα οικιακά είδη, το υλικό gaming και πολλές άλλες εφαρμογές.

Κατά τις τελευταίες δεκαετίες, οι εξελίξεις στην τεχνολογία ημιαγωγών έχουν κάνει αυτές τις ηλεκτρονικές συσκευές όχι μόνο μικρότερες, αλλά και ταχύτερες, πιο εξελιγμένες, συμβατές και αξιόπιστες.

Οι εταιρείες που εργάζονται με ημιαγωγούς συνήθως οργανώνουν τις δραστηριότητές τους είτε γύρω από το σχεδιασμό είτε γύρω από την κατασκευή. Όσοι εστιάζουν στον σχεδιασμό αποκαλούνται «fabless» εταιρείες, ενώ όσοι εστιάζουν μόνο στην κατασκευή ονομάζονται «foundries», και όσοι κάνουν και τα δύο ονομάζονται Integrated Device Manufacturers ή IDMs.

Τα τελευταία χρόνια, υπάρχει μια κρίση ημιαγωγών. Από τα τέλη του 2020, μετά την πανδημία και τα lockdowns, καθώς η ζήτηση για ηλεκτρονικές συσκευές αυξήθηκε, υπήρξε έλλειψη μικροτσίπ και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων παγκοσμίως. 

Ενώ οι διαδικτυακές τάξεις, η απομακρυσμένη εργασία και η αυξανόμενη ψηφιοποίηση προκάλεσαν τεράστια αύξηση στη ζήτηση για ηλεκτρονικές συσκευές, οι νέες τεχνολογικές προόδους οδήγησαν σε διαταραγτικές τεχνολογίες όπως η AI, η VR, το 5G, τα μεγάλα δεδομένα και οι υπηρεσίες cloud, που επιδείνωσαν περαιτέρω την κατάσταση. 

Σε απάντηση σε αυτό, εταιρείες σε όλο τον κόσμο επενδύουν τεράστιους πόρους για να βρουν λύση στο πρόβλημα. 

Μια Μεγάλη Ανακάλυψη: Ο Πρώτος Λειτουργικός Γραφένιος Ημιαγωγός 

Το αρσενικό γαλλίου είναι ένας δημοφιλής ημιαγωγός που χρησιμοποιείται σε ηλιακά κύτταρα, διαδρόμους λέιζερ και ολοκληρωμένα κυκλώματα μικροκυμάτων. Ωστόσο, ο πιο κοινός ημιαγωγός που χρησιμοποιείται σήμερα είναι το πυρίτιο, το οποίο παίζει κρίσιμο ρόλο στην κατασκευή των περισσότερων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Αλλά το υλικό φτάνει στα όριά του — απαιτεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας, γι’ αυτό οι επιστήμονες εργάζονται για την εύρεση εναλλακτικής.

Και υπάρχει ένα άλλο στοιχείο, το γραφένιο, το οποίο δεν θεωρείται ημιαγωγός αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή τσιπ και κυκλωμάτων. Είναι ένα εξαιρετικά αγώγιμο υλικό που απορροφά πολύ αποτελεσματικά τη θερμότητα, βελτιώνοντας την απόδοση των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Έχει επίσης ανώτερη ταχύτητα και ενεργειακή αποδοτικότητα σε σύγκριση με το πυρίτιο, χωρίς να χρειάζεται μεγάλες ποσότητες ενέργειας, καθιστώντας το εξαιρετικά ωφέλιμο για τη δημιουργία ηλεκτρονικών.

Το γραφένιο είναι ένα εξαιρετικά λεπτό υλικό, μόλις ένα άτομο παχύ στρώμα άνθρακα διατεταγμένο σε εξάγωνα, και αποτελεί τη βάση του γραφίτη. Παρά το ότι είναι το πιο λεπτό υλικό που γνωρίζει ο άνθρωπος, είναι πολύ ανθεκτικό (περίπου 200 φορές πιο δυνατό από το χάλυβα) και ευέλικτο. 

Επιπλέον, αυτό το μοναδικό φύλλο ατόμων άνθρακα είναι εξαιρετικός αγωγός θερμότητας και ηλεκτρισμού και διαθέτει ενδιαφέρουσες ιδιότητες απορρόφησης φωτός. Συνεπώς, αυτό το υλικό έχει τη δυνατότητα να επαναστατικοποιήσει πολλές εφαρμογές, όπως αισθητήρες, ηλιακά κύτταρα, μπαταρίες και άλλα.

Ωστόσο, το υλικό δεν είναι χωρίς προβλήματα, τα οποία περιλαμβάνουν την εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα του γραφενίου, που το καθιστά δύσκολο στη χρήση ως ημιαγωγός. Έτσι, χρειάζεται ένα ενεργειακό κενό (bandgap), που επιτρέπει στους ημιαγωγούς να ανοίγουν και να κλείνουν, το οποίο συνήθως δεν διαθέτει. Για να εισαχθεί το bandgap στο γραφένιο, οι επιστήμονες έχουν κατασκευάσει γραφένιο σε συγκεκριμένα σχήματα ή έχουν χρησιμοποιήσει άλλα 2D υλικά που έχουν ενσωματωμένο bandgap, αλλά δεν κατάφεραν να παράγουν βιώσιμο ημιαγωγικό γραφένιο.

Καθώς οι επιστήμονες εργάζονται με το γραφένιο, πρόσφατα σημειώθηκε μια σημαντική πρόοδος όπου οι ερευνητές παρουσίασαν τον πρώτο λειτουργικό γραφένιο ημιαγωγό, κάτι που σημαίνει αλλαγή του κόσμου της υπολογιστικής και των ηλεκτρονικών για πάντα. Αυτό επιτεύχθηκε ξεπερνώντας το εμπόδιο που επηρέαζε την έρευνα του γραφενίου για πολλά χρόνια, δηλαδή την ύπαρξη του κατάλληλου bandgap που θα μπορούσε να ανοίγει και να κλείνει με το σωστό λόγο — παρουσιάζοντας ένα καθοριστικό στάδιο στην πραγματοποίηση ηλεκτρονικών βασισμένων σε τσιπ γραφενίου.

Ο ημιαγωγός γραφενίου με bandgap δεν είναι μόνο λειτουργικός, αλλά μπορεί επίσης να ενσωματωθεί σε υπάρχουσες διαδικασίες κατασκευής. Δημοσιευμένο στο Nature την πρώτη εβδομάδα του 2024, η μελέτη έδειξε έναν λειτουργικό ημιαγωγό γραφενίου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη νανοηλεκτρονική.

Για αυτό, ο Walter de Heer, καθηγητής φυσικής στο Georgia Institute of Technology, ηγήθηκε μιας ερευνητικής ομάδας και συνεργάστηκε με το Πανεπιστήμιο Tianjin της Κίνας. Και είπε:

«Τώρα διαθέτουμε έναν εξαιρετικά ανθεκτικό ημιαγωγό γραφενίου με κινητικότητα δέκα φορές μεγαλύτερη από το πυρίτιο, και που διαθέτει επίσης μοναδικές ιδιότητες που δεν υπάρχουν στο πυρίτιο. Αλλά η ιστορία της δουλειάς μας τα τελευταία δέκα χρόνια ήταν: «Μπορούμε να κάνουμε αυτό το υλικό αρκετά καλό για να λειτουργήσει;»

Στην αρχή της καριέρας του, ο De Heer άρχισε εξερευνώντας υλικά βασισμένα σε άνθρακα ως πιθανούς ημιαγωγούς, και μετά μεταφέρθηκε στο 2D γραφένιο πριν από πάνω από είκοσι χρόνια. Η ομάδα ήταν «παρακινημένη από την ελπίδα να εισάγει τρεις ειδικές ιδιότητες του γραφενίου στην ηλεκτρονική» — ένα εξαιρετικά ανθεκτικό υλικό, την ικανότητά του να διαχειρίζεται πολύ μεγάλα ρεύματα, και να το κάνει αυτό χωρίς να θερμαίνεται και να καταστρέφεται.

Η πρόοδος επιτεύχθηκε όταν η ομάδα ανακάλυψε πώς να καλλιεργήσει γραφένιο σε βάκες πυριτίου καρβιδίου — που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές συσκευές και επιτρέπουν αποδοτική μετατροπή ενέργειας — χρησιμοποιώντας εξειδικευμένους φούρνους καθώς και μια ειδική διαδικασία θέρμανσης και ψύξης. 

Αυτό οδήγησε στο επεϊκτικό γραφένιο, που είναι ένα στρώμα που αναπτύσσεται στην κρυσταλλική επιφάνεια του πυριτίου καρβιδίου (ένας σκληρός κρυσταλλικός συνδυασμός πυριτίου και άνθρακα), το οποίο, όταν παρασκευάζεται σωστά, συνδέεται χημικά με το πυρίτιο καρβίδιο και παρουσιάζει ημιαγωγικές ιδιότητες.

Για να δημιουργηθεί ένας λειτουργικός τρανζίστορ, η ομάδα πρέπει να διασφαλίσει ότι οι ιδιότητές του δεν θα καταστραφούν όταν το ημιαγωγικό υλικό χειρίζεται ώστε να λειτουργήσει ως λειτουργικός τρανζίστορ. Για αυτό, η ομάδα έπρεπε πρώτα να ελέγξει αν το υλικό ήταν καλός αγωγός και να χρησιμοποιήσει την τεχνική ντοπινγκ, κάτι που λειτούργησε χωρίς να βλάψει το υλικό ή τις ιδιότητές του. 

Η μετάβαση στις βάκες πυριτίου καρβιδίου, σύμφωνα με τον de Heer, είναι «αρκετά εφικτή». Η μελέτη διαπίστωσε ότι ο ημιαγωγός γραφενίου τους έχει πολύ μεγαλύτερη κινητικότητα από το πυρίτιο, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται με πολύ χαμηλή αντίσταση. Στην ηλεκτρονική, αυτό μεταφράζεται σε ταχύτερη υπολογιστική. 

«Είναι σαν να οδηγείς σε δρόμο με χαλίκι σε αντίθεση με την οδό με ελεύθερη κυκλοφορία», είπε ο de Heer. «Είναι πιο αποδοτικό, δεν θερμαίνεται τόσο πολύ και επιτρέπει υψηλότερες ταχύτητες ώστε τα ηλεκτρόνια να κινούνται γρηγορότερα.»

Επαναστατική Πρόοδος για την Ενίσχυση των Μελλοντικών Ηλεκτρονικών

Ήταν μετά από δέκα χρόνια έρευνας που η τελευταία μελέτη ανακάλυψε πώς να καλλιεργήσει γραφένιο σε ειδικές βάκες πυριτίου καρβιδίου. Η ομάδα τροποποίησε τις χημικές ιδιότητες του γραφενίου για να επιτύχει τη επιθυμητή δομή ώστε το γραφένιο να λειτουργεί όπως ένας υψηλής ποιότητας ημιαγωγός.

Μιλώντας για την υλοποίηση των γραφενίων ηλεκτρονικών, ο de Heer σημείωσε:

«Έπρεπε να μάθουμε πώς να επεξεργαστούμε το υλικό, πώς να το κάνουμε όλο και καλύτερο, και τελικά, πώς να μετρήσουμε τις ιδιότητές του. Αυτό πήρε πολύ, πολύ χρόνο.»

Ο ημιαγωγός είναι επί του παρόντος μόνο δισδιάστατος (2D) με όλες τις απαραίτητες ιδιότητες για χρήση στη νανοηλεκτρονική. Οι ηλεκτρικές του ιδιότητες είναι επίσης πολύ ανώτερες από άλλους δισδιάστατους ημιαγωγούς που βρίσκονται σε ανάπτυξη. Οι ειδικοί πιστεύουν ότι η ανακάλυψη μπορεί να αλλάξει εντελώς το πρόσωπο της βιομηχανίας ηλεκτρονικών, επιτρέποντάς μας να δημιουργήσουμε νέους, ισχυρούς γραφενίους ημιαγωγούς που χρησιμοποιούν λιγότερη ενέργεια από το πυρίτιο.

«Αυτή η έρευνα όχι μόνο διατήρησε την αξιοσημείωτη σταθερότητα του γραφενίου, αλλά εισήγαγε και νέες ηλεκτρονικές ιδιότητες, ανοίγοντας το δρόμο για τσιπ βασισμένα στο γραφένιο», δήλωσε το Beijing-based Science and Technology Daily.

Τα ηλεκτρονικά βασισμένα στο γραφένιο είναι απλώς πιο αποδοτικά, καθώς χρειάζονται λιγότερη ενέργεια για να ενεργοποιηθούν και να απενεργοποιηθούν, και πάνω από όλα, τα ηλεκτρόνια μπορούν να ρέουν χωρίς να παράγουν θερμότητα που πρέπει να ψύχεται με ακόμη περισσότερη ενέργεια. Αυτό σημαίνει ότι «τα τηλέφωνα θα μπορούσαν να διαρκούν εβδομάδες χωρίς να ξεμυρίζουν τη μπαταρία, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας σε όλα τα μέρη της ζωής μας, μειώνοντας το κόστος και τη ρύπανση από τα ορυκτά καύσιμα», είπε η Sarah Haigh, καθηγήτρια υλικών στο Εθνικό Ινστιτούτο Γραφενίου του Ηνωμένου Βασιλείου, Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, σε συνέντευξη.

Αυτό θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για τσιπ που θα τροφοδοτούν πιο προχωρημένους προσωπικούς υπολογιστές και κβαντικούς υπολογιστές στο μέλλον. 

Οι ερευνητές σημείωσαν στη μελέτη ότι τα ηλεκτρόνια σε αυτή την εναλλακτική του πυριτίου, όπως και το φως, έχουν ιδιότητες που μοιάζουν με κβαντικά μηχανικά κύματα. Αυτές οι ιδιότητες μπορούν να αξιοποιηθούν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Οι ερευνητές τώρα σκοπεύουν να εξερευνήσουν αυτό σε επόμενη έρευνα.

Το επεϊκτικό γραφένιο επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να κινούνται με λιγότερη αντίσταση, πράγμα που σημαίνει ότι οι τρανζίστορ που κατασκευάζονται με αυτόν τον τρόπο μπορούν να λειτουργούν σε συχνότητες τεραχέρτζ. Βοηθά στην υπέρβαση των ορίων του πυριτίου, που περιλαμβάνουν το πόσο γρήγορα μπορούν να ανοίγουν και να κλείνουν οι τρανζίστορ, το πόσο μικροί μπορούν να γίνουν και τη θερμότητα που παράγεται. 

Με αυτόν τον τρόπο, το νέο υλικό θα μπορούσε να προκαλέσει μια αλλαγή παραδείγματος στον τομέα των ηλεκτρονικών, επιτρέποντας την αξιοποίηση των κβαντικών κυματικών ιδιοτήτων των ηλεκτρονίων, μια απαίτηση για την κβαντική υπολογιστική. Ένα σημαντικό βήμα προς την επόμενη γενιά υπολογιστών, αυτό μπορεί να ανοίξει τις πόρτες σε έναν νέο τρόπο κατασκευής ηλεκτρονικών που είναι μικρότερα και ταχύτερα.

Όπως τόνισε ο de Heer, δεν είναι μόνο η ικανότητα του γραφενίου να «κάνει τα πράγματα μικρότερα και ταχύτερα και με λιγότερη εκπομπή θερμότητας», αλλά η αξιοποίηση των «ιδιοτήτων των ηλεκτρονίων που δεν είναι προσβάσιμες στο πυρίτιο», παρουσιάζοντας «μια αλλαγή παραδείγματος — είναι ένας διαφορετικός τρόπος να κάνουμε ηλεκτρονικά». 

Αυτό σημαίνει ότι μια νέα γενιά ηλεκτρονικών είναι πλέον επερχόμενη. Για πολύ καιρό, το πυρίτιο ηγείται των ηλεκτρονικών, που ήταν ένα βήμα πάνω από τις κεντρικές σωλήνες, που ήρθαν μετά από καλώδια και τηλεγράφους, και τώρα το γραφένιο θα ηγηθεί του δρόμου.

«Για μένα, αυτό είναι σαν μια στιγμή των αδελφών Wright», είπε ο de Heer. «Κατασκεύασαν ένα αεροπλάνο που μπορούσε να πετάξει 300 πόδια στον αέρα. Αλλά οι σκεπτικιστές ρώτησαν γιατί ο κόσμος θα χρειαστεί πτήση όταν ήδη είχε γρήγορα τρένα και σκάφη. Αλλά επέμειναν, και ήταν η αρχή μιας τεχνολογίας που μπορεί να μεταφέρει ανθρώπους διασχίζοντας ωκεανούς.»

Επιπλέον, μπορεί να κλιμακωθεί. Πριν, το γραφένιο είχε δείξει υποσχέσεις ως ημιαγωγός, αλλά μόνο σε μικρή κλίμακα. Η κλιμάκωση των γραφενίων ημιαγωγών σε πρακτικά μεγέθη τσιπ υπολογιστών ήταν προκλητική. Ωστόσο, η τελευταία πρόοδος χρησιμοποίησε μια διαδικασία που είναι παρόμοια με τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται στη δημιουργία τσιπ πυριτίου και είναι συμβατή με τις συμβατικές μεθόδους επεξεργασίας μικροηλεκτρονικών, καθιστώντας πιο εφικτή την κλιμάκωση.

Η έρευνα χρησιμοποίησε βάκες, που, σύμφωνα με τον David Carey από το Πανεπιστήμιο Surrey του Ηνωμένου Βασιλείου, είναι «πραγματικά, πραγματικά κλιμακώσιμα», και η τεχνολογία που χρησιμοποιείται αυτή τη στιγμή από τη βιομηχανία ημιαγωγών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να «κλιμακώσει αυτή τη διαδικασία».

Παρόλα αυτά, παραμένει να δούμε αν οι τελευταίοι γραφενίοι ημιαγωγοί μπορούν πραγματικά να αποδώσουν καλύτερα από την τρέχουσα τεχνολογία υπεραγωγιμότητας. Επιπλέον, για να μεταβεί ο κόσμος σε τσιπ γραφενίου, η νέα έρευνα θα πρέπει να βελτιωθεί όσον αφορά την ποιότητα, το μέγεθος και τις τεχνικές κατασκευής. Αυτό σημαίνει ότι θα είναι ένα μακρύ ταξίδι, και μπορεί να χρειαστεί πάνω από μια δεκαετία για να υλοποιηθεί πλήρως η βιομηχανική εφαρμογή των γραφενίων ημιαγωγών.

Κάντε κλικ εδώ για τη λίστα με τις δέκα καλύτερες μετοχές εξοπλισμού ημιαγωγών.