Computing
Kunnen organische halfgeleiders de voordelen van grafeen en silicium combineren?
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Het gemiste potentieel van grafeen als halfgeleider
Graphene wordt al lange tijd beschouwd als een wondermateriaal, met uitzonderlijke eigenschappen dat een rol kan spelen in halfgeleiders van de volgende generatie. De perceptie van grafeen als wondermateriaal is veelzijdig vanwege zijn fysieke kenmerken; het is 200 keer sterker dan staal, en de elektronenmobiliteit is 140 keer sneller in grafeen dan in silicium.
Bron: Visual Capitalist
Aanvankelijk dachten onderzoekers die grafeen bestudeerden dat het silicium in halfgeleiders kon vervangen. Helaas mist het een cruciale elektronische eigenschap die een “bandgap” wordt genoemd.
Een bandgap bepaalt of een materiaal wordt beschouwd als een metaal (geleidt elektriciteit), een isolator (blokkeert elektriciteit), of een halfgeleider (die kan schakelen tussen geleidend en isolerend).
Bron: Energy Education
Het probleem is dat grafeen helemaal geen bandgap heeft, waardoor het niet als halfgeleider kan worden gebruikt.
Echter, een ander materiaaltype zou dezelfde elektronenmobiliteit als grafeen kunnen hebben, maar een bandgap vertonen die compatibel is met halfgeleidermogelijkheden. Dit materiaal wordt een organisch polymeer genoemd.
Organische halfgeleiders bouwen
Wat grafeen zo geleidend maakt, zijn twee factoren:
- Het is in wezen een 2D-materiaal, dat een perfect vlak monatomisch koolstoflaagje vormt.
- De elektronen tussen de koolstofhexagons kunnen bijna vrijelijk stromen tussen de atomaire structuren die aromatische koolwaterstoffen worden genoemd.
Bron: Britannica
Aromatische koolwaterstoffen komen in de natuur eigenlijk zeer vaak voor, maar de 2D-laag van grafeen is veel zeldzamer. Veel organische materialen hebben echter wel het potentieel om de bandgap te vertonen die in grafeen ontbreekt.
Onderzoekers van de Pohang University of Science and Technology (POSTECH) in Zuid-Korea, Prof. Kimoon Kim, Prof. Ji Hoon Shim, Prof. Jun Sung Kim en Dr. Yeongsang Lee, zochten naar een manier om gewoon organisch materiaal om te vormen tot iets dat lijkt op grafeen.
Bron: POSTECH
Organische polymeren 2D maken
Wat organische polymeren verhindert om als grafeen te functioneren, is dat tijdens hun polymerisatie interlaagstapeling de groei van het polymeer blokkeert.
De onderzoekers ontdekten dat door chemische groepen toe te voegen die de hechting van monomeren blokkeren (stereosterische hindering), ze de stapeling van tweedimensionale polymeerintermediairen konden onderdrukken. Het gebruikte organische polymeer was triazacoronene.
Bron: POSTECH
Vervolgens voegden ze aan de polymeersynthese een stap toe die p-type doping wordt genoemd, vaak gebruikt bij de productie van halfgeleiders. Dit houdt in dat elementen aan een halfgeleidermateriaal worden toegevoegd om het nog beter geleidend te maken.
Bron: Wikipedia by
Het resulterende materiaal werd door de onderzoekers beschreven als zijnde ‘uitstekende elektrische geleidbaarheid’.
Het enorme potentieel van organische halfgeleiders
Deze prestatie lost het probleem op dat organische halfgeleiders een te lage elektronenmobiliteit hebben.
Het maakt het ook makkelijker om de geleidingspaden voor elektronen en gaten op moleculair niveau te beheersen, een noodzakelijke stap om transistors en computerchips van dit materiaal te maken.
Het is ook mogelijk dat grafeen een ‘bandgap’ krijgt, een ander pad dat in meer detail wordt onderzocht in ons artikel “Grafeen Halfgeleiders – Zijn ze eindelijk hier?”.
Zowel het potentieel van grafeen halfgeleiders als organische halfgeleiders met grafeen-achtige specificaties kunnen vele mogelijke toepassingen hebben.
Natuurlijk is dat alleen als we blijven rekenen op basis van halfgeleiders, in plaats van fotonica zoals besproken in “Semiconductors vooruitstrevend – Kunnen ‘Donut’-stralen naar ‘Lego’-blokken de industriële benaderingen omverwerpen?” of kwantumcomputing zoals besproken in “De huidige staat van kwantumcomputing”.
Halfgeleiders
Terwijl silicium een limiet bereikt vanwege zijn fysieke kenmerken, zou grafeen-achtige geleidbaarheid organische halfgeleiders tot een levensvatbaar vervangend materiaal kunnen maken om de wet van Moore geldig te houden, omdat snellere elektronen leiden tot snellere berekeningen.
Dit voegt organisch materiaal toe aan de kandidaten om silicium te vervangen, samen met verbeterd grafeen en Isolator-naar-Metaal (IMT) zoals vanadiumdioxide (u kunt meer lezen over deze halfgeleidertechnologie-ontwikkelingen in “De wet van Moore bijhouden met actieve substraten en neuromorfe computing”).
Batterijen
Een andere sector die organisch materiaal wil gebruiken om metalen te vervangen, is de batterijindustrie, die wordt aangedreven door de groei van elektrische voertuigen en hernieuwbare energie.
Als organische materialen grafeen-achtige eigenschappen kunnen vertonen, kunnen ze een optie zijn voor grafeenbatterijen, een van de vele mogelijke chemieën voor EV-batterijen, die we bespraken in “De toekomst van mobiliteit – Batterijtechnologie”.
Halfgeleiderbedrijven
1. IBM
IBM Prijsgrafiek
Een historische pionier op het gebied van computers, halfgeleiders en chipontwerp, International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) is aanwezig geweest bij de meeste baanbrekende innovaties in de computer- en halfgeleiderindustrie.
Dit omvat geleidende organische materialen zoals besproken in dit artikel, maar ook neuromorfe computing, kwantumcomputing, fotonica, enz.
Samen met Intel (INTC ) behoort IBM tot de bedrijven die het meest agressief nieuwe vormen van computeringeniertechnologieën nastreven, met als doel niet-silicium computing en eerdere successen te repliceren.
Dit plaatst IBM in een goede positie om zijn enorme R&D-budget en netwerk van onderzoekspartners te benutten om ontdekkingen zoals grafeen-achtige organische halfgeleiders te exploiteren.
2. ON Semiconductor Corporation
ON Prijsgrafiek
ON Semi is een halfgeleiderbedrijf dat zich specialiseert in elektrificatie, inclusief in de automobielsector, maar ook in andere sectoren zoals zonne-energie, batterijen, lucht- en ruimtevaart, telecommunicatie, datacenters en medische toepassingen. Als zodanig is het een belangrijke partner voor veel van de grootste industriële bedrijven ter wereld.
Bron: ON Semi
Een groot deel van ON Semi’s technologische voordeel is gebaseerd op siliciumcarbide, een type silicium-koolstofverbinding die wordt gebruikt voor hoogenergetische elektrische systemen. Ze maken met name zeer hoge vermogensbelastingen mogelijk die nodig zijn voor het snelle opladen van elektrische voertuigen.
Siliciumcarbide is het chemische middel dat recent door onderzoekers is gebruikt om semiconductieve grafeen te ontwikkelen, zoals besproken in ons artikel “Grafeen Halfgeleiders – Zijn ze eindelijk hier?”.
ON Semi’s strategie om zich nog meer op siliciumcarbide te richten, heeft ertoe geleid dat het bedrijf de afgelopen jaren een omzetstijging heeft gezien, aangedreven door de EV-revolutie.
De expertise van ON Semi in siliciumcarbide en over het algemeen halfgeleiders die koolstof gebruiken, kan van grote waarde zijn bij de industrialisatie van halfgeleiders op basis van zowel grafeen als organische materialen.
Intussen wordt de behoefte aan steeds krachtigere en efficiëntere batterijen en elektrische systemen, siliciumcarbides, steeds belangrijker in de wereldwijde toeleveringsketen. Als leider in de sector zal ON Semi waarschijnlijk sterk profiteren van de elektrificatietrend, met name EV’s.
Tot slot is het ook mogelijk dat als organische halfgeleiders toepassingen vinden in batterijtechnologie, de sterke aanwezigheid van ON Semi in de sector het kan helpen een van de eerste bedrijven te zijn die deze technologie kunnen inzetten.
