Voivatko orgaaniset puolijohteet yhdistää grafeenin ja piin edut?

Grafeenin puolijohteen menettämä potentiaali

Graphene has long been considered a ihmeaine, jossa on poikkeuksellisia ominaisuuksia 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.

Lähde: Visual Capitalist

Aluksi grafeenia tutkineet tutkijat ajattelivat sen voivan korvata piin puolijohteissa. Valitettavasti se puuttuu keskeinen elektroninen ominaisuus, jota kutsutaan “energia-aukoksi”.

Energia-aukko määrittää, katsotaanko materiaali metalliksi (joka johtaa sähköä), eristeeksi (joka estää sähkön kulun) tai puolijohteeksi (joka voi vaihtaa johtavuuden ja eristyksen välillä).

Lähde: Energy Education

Ongelma on, että grafeenilla ei ole lainkaan energia-aukkoa, mikä estää sen käytön puolijohteena.

Kuitenkin toinen materiaalityyppi voisi omaa saman elektronin liikkuvuuden kuin grafeeni, mutta näyttää energia-aukon, joka on yhteensopiva puolijohteiden ominaisuuksien kanssa. Tätä materiaalia kutsutaan orgaaniseksi polymeriksi.

Orgaanisten puolijohteiden rakentaminen

Mitä tekee grafeenista niin johtavan, ovat kaksi tekijää:

1. Se on pohjimmiltaan 2‑dimensioinen materiaali, muodostaa täydellisen tasaisen yksiatomisen hiiliatomikerroksen.
2. Hiilen heksagonien välisten elektronien voi virrata lähes vapaasti atomirakenteiden välillä, joita kutsutaan aromaattisiksi hiilivedyiksi.

Lähde: Britannica

Aromaattiset hiilivedyt ovat itse asiassa hyvin yleisiä luonnossa, mutta grafeenin 2‑dimensioinen kerros on paljon harvinaisempi. Kuitenkin monilla orgaanisilla materiaaleilla on potentiaalia näyttää energia-aukko, joka puuttuu grafeenista.

Etelä-Korean Pohangin tiede‑ ja teknologiayliopistossa (POSTECH) tutkijat professori Kimoon Kim, professori Ji Hoon Shim, professori Jun Sung Kim ja tohtori Yeongsang Lee etsivät tapaa muuttaa tavallinen orgaaninen materiaali joksikin, joka muistuttaa grafeenia.

Lähde: POSTECH

Orgaanisten polymerien 2D‑valmistus

Mikä estää orgaanisia polymeerejä toimimasta grafeenin tavoin, on se, että polymerisaation aikana kerrosten välinen pinnoittuminen estää polymerin kasvua.

Tutkijat havaitsivat, että lisäämällä kemiallisia ryhmiä, jotka estävät monomeerien liittämisen (sterinen estävyys), he pystyivät tukahduttamaan kaksidimensionaalisten polymerivälituotteiden pinnoittumisen. Käytetty orgaaninen polymeeri oli triazakoroneni.

Lähde: POSTECH

He lisäsivät sitten polymerisynteesiin vaiheen, jota kutsutaan p‑tyypin dopingiksi, jota käytetään yleisesti puolijohteiden valmistuksessa. Tämä tarkoittaa alkuaineiden lisäämistä puolijohdemateriaaliin sen johtavuuden lisäämiseksi.

Lähde: Wikipedia by VectorVoyager 

Tuloksena syntynyttä materiaalia on tutkijoiden kuvailema “erinomaisella sähköjohtavuudella”.

Orgaanisten puolijohteiden valtava potentiaali

Tämä saavutus ratkaisee ongelman, että orgaanisilla puolijohteilla on liian alhainen elektronin liikkuvuus.

Se myös helpottaa elektronien ja aukkojen johtopolkujen hallintaa molekyylitasolla, mikä on välttämätön askel transistorien ja tietokonepiirien valmistamisessa tästä materiaalista.

On myös mahdollista, että grafeenille voitaisiin “antaa” energia-aukko, toinen polku, jota tarkastellaan tarkemmin artikkelissamme “Grafeenin puolijohteet – Ovatko ne vihdoin täällä?”.

Sekä grafeenin puolijohteiden että grafeenimäisten ominaisuuksien omaavien orgaanisten puolijohteiden potentiaali voisi tarjota monia mahdollisia sovelluksia.

Tietenkin tämä pätee vain, jos jatkamme laskentaa puolijohteiden pohjalta, sen sijaan että siirtyisimme fotoniikkaan, kuten on käsitelty artikkelissa “Puolijohteiden edistäminen – Voisiko ‘Donut’-säteet ‘Lego’-palikoiksi muuttaa teollisuuden lähestymistapoja?” tai kvanttilaskentaan, kuten on käsitelty artikkelissa “Kvanttilaskennan nykytila“.

Puolijohteet

Kun pii lähestyy rajaansa fyysisten ominaisuuksiensa vuoksi, grafeenimäinen johtavuus voisi tehdä orgaanisista puolijohteista käyttökelpoisen korvaavan materiaalin Moores lain säilyttämiseksi, koska nopeammat elektronit johtavat nopeampaan laskentaan.

Tämä lisää orgaanisen materiaalin ehdokkaiden joukkoon piin korvaamiseksi, yhdessä parannetun grafeenin ja eriste‑metalli‑muunnoksen (IMT) kaltaisen vanadiinioksidin kanssa (lisätietoa näistä puolijohdeteollisuuden edistysaskelista löytyy artikkelista “Pysymässä Moores lain tahdissa aktiivisilla alustoilla ja neuromorfisella laskennalla“).

Paristot

Toinen ala, joka tutkii orgaanisen materiaalin käyttöä metallien korvaamiseen, on paristoteollisuus, jota vauhdittaa sähköautojen ja uusiutuvien energialähteiden kasvu.

Jos orgaaniset materiaalit voivat osoittaa grafeenimäisiä ominaisuuksia, ne voisivat olla vaihtoehto grafeeniparistoille, yksi monista mahdollisista sähköautojen paristokemioista, josta keskustelimme artikkelissa “Liikkuvuuden tulevaisuus – Paristotekniikka“.

Puolijohdeyritykset

1. IBM

Historiallinen tietojenkäsittelyn, puolijohteiden ja piirisulkujen suunnittelun pioneeri, International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) on ollut mukana useimmissa tietojenkäsittelyn ja puolijohdeteollisuuden huipputeknologioissa.

Tämä sisältää johtavat orgaaniset materiaalit, kuten tässä artikkelissa käsitellään, mutta myös neuromorfisen laskennan, kvanttilaskennan, fotoniikan jne.

Yhdessä Intelin kanssa IBM on yksi yrityksistä, jotka pyrkivät eniten edistämään uusia tietojenkäsittelyn teknologioita, tavoitteena jäljitellä ei-piipohjaista laskentaa ja sen menestyksiä.

Tämä asettaa IBM:n hyvään asemaan hyödyntämään valtavaa T&K-budjettiaan ja tutkimuskumppaneidensa verkostoa hyödyntääkseen löytöjä, kuten grafeenimäisiä orgaanisia puolijohteita.

2. ON Semiconductor Corporation

ON Semi on puolijohdeyritys, joka on erikoistunut sähköistykseen, mukaan lukien autoteollisuudessa, mutta myös muilla aloilla kuten aurinkoenergia, paristot, avaruustekniikka, telekommunikaatio, datakeskukset ja terveydenhuolto. Täten se on keskeinen kumppani monille maailman suurimmille teollisuusyrityksille.

Lähde: ON Semi

Suuri osa ON Semi:n teknologisesta edusta perustuu piikarbidiin, silikoni‑hiili-yhdisteeseen, jota käytetään korkeaenergiaisissa sähköjärjestelmissä. Ne mahdollistavat erityisen suuria teholatauksia, joita tarvitaan sähköautojen nopeaan lataamiseen.

Piikarbidia on viime aikoina tutkijat käyttäneet kehittämään puolijohdegrafeenia, kuten artikkelissamme “Grafeenin puolijohteet – Ovatko ne vihdoin täällä?” käsitellään.

ON Semi:n strategia panostaa kaksinkertaisesti piikarbidiin on johtanut yrityksen liikevaihdon voimakkaaseen kasvuun viime vuosina, sähköautojen vallankumouksen myötä.

ON Semi:n asiantuntemus piikarbidissa ja yleisesti hiilen käyttöön perustuvissa puolijohteissa voi olla arvokasta grafeeni- tai orgaanisiin materiaaleihin perustuvien puolijohteiden teollistamisessa.

Sillä välin tarve yhä tehokkaammille ja energiatehokkaammille paristoille ja sähköjärjestelmille, piikarbidi, kasvaa yhä tärkeämmäksi globaaleissa toimitusketjuissa. Alan johtajana ON Semi hyötyy todennäköisesti merkittävästi sähköistymistrendistä, erityisesti sähköautoista.

Lopuksi on myös mahdollista, että jos orgaanisilla puolijohteilla on sovelluksia paristoteknologiassa, ON Semi:n vahva läsnäolo alalla voisi auttaa sitä olemaan yksi ensimmäisistä yrityksistä, jotka pystyvät ottamaan tämän teknologian käyttöön.