Computing
I semiconduttori organici possono combinare i vantaggi del grafene e del silicio?
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Il potenziale mancato dei semiconduttori di grafene
Graphene has long been considered a materiale miracoloso, con caratteristiche eccezionali 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.
Fonte: Visual Capitalist
Inizialmente, i ricercatori che studiavano il grafene pensavano potesse sostituire il silicio nei semiconduttori. Sfortunatamente, gli manca una caratteristica elettronica chiave chiamata “band gap”.
Un band gap è ciò che determina se un materiale sarà considerato un metallo (conduce elettricità), un isolante (blocca l’elettricità) o un semiconduttore (che può passare dallo stato conduttivo a quello isolante).
Fonte: Energy Education
Il problema è che il grafene non ha affatto un band gap, impedendone l’uso come semiconduttore.
Tuttavia, un altro tipo di materiale potrebbe avere la stessa mobilità elettronica del grafene ma presentare un band gap compatibile con le capacità dei semiconduttori. Questo materiale è chiamato polimero organico.
Costruire semiconduttori organici
What makes graphene so conductive are two factors:
- È essenzialmente un materiale 2D, formando uno strato monoatomico di atomi di carbonio perfettamente piatto.
- Gli elettroni tra gli esagoni di carbonio possono fluire quasi liberamente tra le strutture atomiche chiamate idrocarburi aromatici.
Fonte: Britannica
Gli idrocarburi aromatici sono in realtà molto comuni in natura, ma lo strato 2D del grafene è molto più raro. Tuttavia, molti materiali organici hanno il potenziale per mostrare il band gap che manca al grafene.
Ricercatori dell’Università di Scienza e Tecnologia di Pohang (POSTECH) in Corea del Sud, Pr. Kimoon Kim, Pr. Ji Hoon Shim, Pr. Jun Sung Kim e Dr. Yeongsang Lee, hanno cercato un modo per trasformare materiale organico ordinario in qualcosa di simile al grafene.
Fonte: POSTECH
Creare polimeri organici 2D
What prevents organic polymers from working as graphene is that during their polymerization, inter-layer stacking blocks the polymer’s growth.
I ricercatori hanno scoperto che aggiungendo gruppi chimici che bloccano l’attacco dei monomeri (ingombro sterico), potevano sopprimere l’impilamento degli intermedi polimerici bidimensionali. Il polimero organico usato era la triazacoronene.
Fonte: POSTECH
Successivamente hanno aggiunto al processo di sintesi del polimero un passaggio chiamato doping di tipo p, comunemente usato nella produzione di semiconduttori. Questo consiste nell’aggiungere elementi a un materiale semiconduttore per renderlo ancora più conduttivo.
Fonte: Wikipedia by
Il materiale risultante è stato descritto dai ricercatori come avente “eccellente conduttività elettrica”.
Il potenziale enorme dei semiconduttori organici
This achievement solves the issue of organic semiconductors having too low electron mobility.
Rende inoltre più facile controllare i percorsi di conduzione per elettroni e lacune a livello molecolare, passo necessario per realizzare transistor e chip di calcolo con questo materiale.
È anche possibile che al grafene venga “assegnato” un band gap, un altro percorso esplorato più in dettaglio nel nostro articolo “Semiconduttori di grafene – Sono finalmente qui?”.
Entrambi il potenziale dei semiconduttori di grafene e quello dei semiconduttori organici con specifiche simili al grafene potrebbero avere molteplici applicazioni possibili.
Ovviamente ciò è valido solo se continuiamo a fare calcoli basati sui semiconduttori, invece che sulla fotonica come discusso in “Avanzare i semiconduttori – I raggi ‘Donut’ verso i blocchi ‘Lego’ potranno rivoluzionare gli approcci industriali?” o nel calcolo quantistico come discusso in “Lo stato attuale del calcolo quantistico”.
Semiconduttori
While silicon is reaching a limit due to its physical characteristics, graphene-like conductivity could make organic semiconductors a viable replacement material to keep Moore’s law valid, because faster electrons convert into faster computing.
Questo aggiunge il materiale organico ai candidati per sostituire il silicio, insieme al grafene migliorato e a materiali Insulator-To-Metal (IMT) come il diossido di vanadio (puoi leggere di più su questi progressi tecnologici dei semiconduttori in “Mantenere il passo con la legge di Moore con substrati attivi e calcolo neuromorfico”).
Batterie
Another industry that is looking at using organic material to replace metals is the battery industry, which is powercharged by the boom in EVs and renewables.
Se i materiali organici possono mostrare proprietà simili al grafene, potrebbero rappresentare un’opzione per le batterie al grafene, una delle tante possibili chimiche per le batterie dei veicoli elettrici, di cui abbiamo parlato in “Il futuro della mobilità – Tecnologia delle batterie”.
Aziende di semiconduttori
1. IBM
IBM Grafico dei prezzi
Un pioniere storico nel campo del calcolo, dei semiconduttori e del design di chip, International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) è stata presente nella maggior parte delle innovazioni all’avanguardia nel settore del calcolo e dei semiconduttori.
Ciò include materiali organici conduttivi come discusso in questo articolo, ma anche calcolo neuromorfico, calcolo quantistico, fotonica, ecc.
Insieme a Intel (INTC ), IBM è tra le aziende che spingono più aggressivamente per nuove forme di tecnologie di calcolo, cercando di replicare il calcolo non basato sul silicio e i suoi successi passati.
Questo mette IBM in una buona posizione per sfruttare il suo enorme budget R&D e la rete di partner di ricerca per sfruttare scoperte come i semiconduttori organici simili al grafene.
2. ON Semiconductor Corporation
ON Grafico dei prezzi
ON Semi è un’azienda di semiconduttori specializzata in elettrificazione, inclusa l’automotive, ma anche in altri settori come energia solare, batterie, aerospaziale, telecomunicazioni, data center e medico. In quanto tale, è un partner chiave per molte delle più grandi aziende industriali al mondo.
Fonte: ON Semi
Una grande parte del vantaggio tecnologico di ON Semi si basa su carburo di silicio, un tipo di composto di silicio‑carbonio utilizzato per sistemi elettrici ad alta energia. Permettono in particolare carichi di potenza molto elevati richiesti per la ricarica rapida dei veicoli elettrici.
Il carburo di silicio è il chimico recentemente usato dai ricercatori per sviluppare grafene semiconduttivo, come discusso nel nostro articolo “Semiconduttori di grafene – Sono finalmente qui?”.
La strategia di ON Semi di puntare fortemente sul carburo di silicio ha portato l’azienda a registrare un’impennata di ricavi negli ultimi anni, trainata dalla rivoluzione dei veicoli elettrici.
L’expertise di ON Semi nel carburo di silicio e, più in generale, nei semiconduttori a base di carbonio potrebbe rivelarsi preziosa per industrializzare semiconduttori basati sia sul grafene sia su materiali organici.
Nel frattempo, la necessità di batterie e sistemi elettrici sempre più potenti ed efficienti rende i carburi di silicio sempre più importanti nella catena di approvvigionamento globale. Come leader del settore, ON Semi trarrà probabilmente grandi benefici dalla tendenza all’elettrificazione, soprattutto nei veicoli elettrici.
Infine, è anche possibile che, se i semiconduttori organici avranno applicazioni nella tecnologia delle batterie, la forte presenza di ON Semi nel settore potrebbe aiutarla a essere una delle prime aziende in grado di distribuire questa tecnologia.
