Databehandling
Kan organiske halvledere kombinere fordelene med grafen og silisium?
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Grafenens tapte potensial som halvleder
Graphene har lenge blitt ansett som et mirakelmateriale, med eksepsjonelle egenskaper som kan spille en rolle i neste generasjons halvledere. Oppfatningen av dette materialet som et mirakel er flerfoldig på grunn av dets fysiske egenskaper; det er 200 ganger sterkere enn stål, og elektronmobiliteten er 140 ganger raskere i graphene enn i silisium.
Kilde: Visual Capitalist
Først trodde forskere som studerte graphene at det kunne erstatte silisium i halvledere. Dessverre mangler det en viktig elektronisk egenskap kalt en «båndgap».
Et båndgap er det som bestemmer om et materiale klassifiseres som metall (leder elektrisitet), isolator (blokkerer elektrisitet), eller halvleder (kan skifte mellom å lede og isolere).
Kilde: Energy Education
Problemet er at graphene ikke har noe båndgap i det hele tatt, noe som hindrer bruken som halvleder.
Imidlertid kan en annen materialtype ha samme elektronmobilitet som graphene, men samtidig vise et båndgap som er kompatibelt med halvlederegenskaper. Dette materialet kalles en organisk polymer.
Bygge organiske halvledere
Hva som gjør graphene så ledende er to faktorer:
- Det er i hovedsak et 2D‑materiale, som danner et perfekt flatt monoatomisk lag av karbonatomer.
- Elektronene mellom karbon‑heksagonene kan fly nesten fritt mellom de atomære strukturene kalt aromatiske hydrokarboner.
Kilde: Britannica
Aromatiske hydrokarboner er faktisk svært vanlige i naturen, men 2D‑laget av graphene er mye mer sjeldent. Mange organiske materialer har imidlertid potensialet til å vise det båndgapet som mangler i graphene.
Forskere ved Sør‑Koreas Pohang University of Science and Technology (POSTECH) – Pr. Kimoon Kim, Pr. Ji Hoon Shim, Pr. Jun Sung Kim og Dr. Yeongsang Lee – lette etter en måte å gjøre vanlig organisk materiale om til noe likt graphene.
Kilde: POSTECH
Lage organiske polymerer i 2D
Det som hindrer organiske polymerer i å fungere som graphene, er at under polymeriseringen blokkerer inter‑lag‑stabling veksten av polymeren.
Forskerne oppdaget at ved å legge til kjemiske grupper som blokkerer festingen av monomerer (sterisk hindring), kunne de undertrykke stablingen av to‑dimensjonale polymerintermediater. Den organiske polymeren som ble brukt var triazacoronene.
Kilde: POSTECH
Deretter ble et trinn kalt p‑type doping lagt til polymersyntesen, en prosess som vanligvis brukes i produksjon av halvledere. Dette innebærer å tilføre elementer til et halvledermateriale for å gjøre det enda mer ledende.
Kilde: Wikipedia by
Det resulterende materialet har blitt beskrevet av forskerne som å ha «enestående elektrisk ledningsevne».
Det enorme potensialet til organiske halvledere
Denne prestasjonen løser problemet med at organiske halvledere har for lav elektronmobilitet.
Den gjør også det lettere å kontrollere ledningsveiene for elektroner og hull på molekylært nivå, et nødvendig steg for å lage transistorer og databrikker av dette materialet.
Det er også mulig at graphene kan «gis» et båndgap, en annen vei som utforskes i detalj i artikkelen vår «Grafenhalvledere – Er de endelig her?».
Både potensialet til grafen‑halvledere og organiske halvledere med grafen‑lignende spesifikasjoner kan ha mange mulige anvendelser.
Selvfølgelig gjelder dette kun dersom vi fortsetter å beregne basert på halvledere, i stedet for fotoniikk som diskutert i «Fremskritt innen halvledere – Kan ‘Donut’-stråler til ‘Lego’-klosser endre industriens tilnærminger?» eller kvantedatabehandling som diskutert i «Den nåværende tilstanden til kvantedatabehandling».
Halvledere
Mens silisium nærmer seg en grense på grunn av sine fysiske egenskaper, kan grafen‑lignende ledningsevne gjøre organiske halvledere til et levedyktig erstatningsmateriale for å holde Moores lov gyldig, fordi raskere elektroner gir raskere databehandling.
Dette legger organisk materiale til kandidatlisten for å erstatte silisium, sammen med forbedret graphene og Isolator‑til‑Metall (IMT)‑lignende vanadiumdioxid (du kan lese mer om disse halvlederteknologiske fremskrittene i «Holde tritt med Moores lov med aktive substrater og nevromorfisk databehandling»).
Batterier
En annen industri som ser på å bruke organisk materiale for å erstatte metaller, er batteriindustrien, som får kraft fra boomen i el‑biler og fornybar energi.
Hvis organiske materialer kan vise grafen‑lignende egenskaper, kan de bli et alternativ for grafen‑batterier, en av de mange mulige kjemiene for el‑bilbatterier, som vi diskuterte i «Fremtiden for mobilitet – Batteriteknologi».
Halvlederbedrifter
1. IBM
IBM Prisdiagram
En historisk pioner innen databehandling, halvledere og chipdesign, International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) har vært til stede i de fleste banebrytende innovasjoner innen databehandling og halvlederindustrien.
Dette inkluderer ledende organiske materialer som diskutert i denne artikkelen, men også nevromorfisk databehandling, kvantedatabehandling, fotoniikk osv.
Sammen med Intel (INTC ) er IBM blant de selskapene som mest aggressivt presser på for nye former for datateknologier, og ser etter å replikere ikke‑silisium‑databehandling og tidligere suksesser.
Dette setter IBM i en god posisjon til å utnytte sitt massive FoU‑budsjett og nettverk av forskningspartnere for å utnytte oppdagelser som grafen‑lignende organiske halvledere.
2. ON Semiconductor Corporation
ON Prisdiagram
ON Semi er et halvlederfirma som spesialiserer seg på elektrifisering, inkludert innen bilindustri, men også i andre sektorer som solenergi, batterier, romfart, telekommunikasjon, datasentre og medisinsk. Som sådan er de en nøkkelpartner for mange av verdens største industribedrifter.
Kilde: ON Semi
En stor del av ON Semis teknologiske fordel er basert på silisiumkarbid, en type silisium‑karbon‑forbindelse som brukes i høy‑energi‑elektriske systemer. De gjør det mulig å håndtere svært høye effektbelastninger som kreves for hurtiglading av el‑biler.
Silisiumkarbid er kjemikaliet som nylig ble brukt av forskere for å utvikle halvleder‑grafen, som diskutert i artikkelen vår «Grafenhalvledere – Er de endelig her?».
ON Semis strategi med å satse tungt på silisiumkarbid har ført til at selskapet har opplevd en inntektsøkning de siste årene, drevet av el‑bilrevolusjonen.
Ekspertisen til ON Semi innen silisiumkarbid og generelt halvledere som bruker karbon kan være uvurderlig for industrialisering av halvledere basert på enten graphene eller organiske materialer.
I mellomtiden, med det økende behovet for stadig kraftigere og mer effektive batterier og elektriske systemer, blir silisiumkarbider stadig viktigere i den globale forsyningskjeden. Som leder i sektoren vil ON Semi sannsynligvis dra stor nytte av elektrifiseringstrenden, spesielt innen el‑biler.
Til slutt er det også mulig at dersom organiske halvledere får anvendelser i batteriteknologi, kan ON Semis sterke tilstedeværelse i sektoren hjelpe dem til å bli ett av de første selskapene som kan ta i bruk denne teknologien.
