Computação
Os semicondutores orgânicos podem combinar os benefícios do grafeno e do silício?
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Potencial Perdido do Semicondutor de Grafeno
Graphene has long been considered a material milagroso, com características excepcionais 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
Inicialmente, os pesquisadores que estudavam o grafeno acreditavam que ele poderia substituir o silício em semicondutores. Infelizmente, ele carece de uma característica eletrônica fundamental chamada “gap de banda”.
Um gap de banda determina se um material será considerado um metal (conduz eletricidade), um isolador (bloqueia eletricidade) ou um semicondutor (que pode alternar entre ser condutor e isolante).
Fonte: Energy Education
O problema é que o grafeno não possui nenhum gap de banda, impedindo seu uso como semicondutor.
No entanto, outro tipo de material poderia ter a mesma mobilidade eletrônica do grafeno, mas apresentar um gap de banda compatível com as capacidades de semicondutor. Esse material é chamado de polímero orgânico.
Construindo Semicondutores Orgânicos
O que torna o grafeno tão condutor são dois fatores:
- Ele é essencialmente um material 2D, formando uma camada monoatômica perfeitamente plana de átomos de carbono.
- Os elétrons entre os hexágonos de carbono podem fluir quase livremente entre as estruturas atômicas chamadas hidrocarbonetos aromáticos.
Fonte: Britannica
Os hidrocarbonetos aromáticos são na verdade muito comuns na natureza, mas a camada 2D do grafeno é muito mais rara. No entanto, muitos materiais orgânicos têm potencial para exibir o gap de banda que falta no grafeno.
Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, na Coreia do Sul (POSTECH), Prof. Kimoon Kim, Prof. Ji Hoon Shim, Prof. Jun Sung Kim e Dr. Yeongsang Lee buscaram uma forma de transformar material orgânico comum em algo semelhante ao grafeno.
Fonte: POSTECH
Fabricando Polímeros Orgânicos 2D
O que impede os polímeros orgânicos de funcionarem como grafeno é que, durante sua polimerização, o empilhamento intercamadas bloqueia o crescimento do polímero.
Os pesquisadores descobriram que, ao adicionar grupos químicos que bloqueiam a ligação de monômeros (impedimento estérico), eles poderiam suprimir o empilhamento de intermediários poliméricos bidimensionais. O polímero orgânico usado foi a triazacorona.
Fonte: POSTECH
Eles então adicionaram à síntese do polímero uma etapa chamada doping do tipo p, comumente usada na produção de semicondutores. Isso refere-se à adição de elementos a um material semicondutor para torná-lo ainda mais condutor.
Fonte: Wikipedia by
O material resultante foi descrito pelos pesquisadores como tendo “condutividade elétrica excepcional”.
O Imenso Potencial dos Semicondutores Orgânicos
Essa conquista resolve o problema dos semicondutores orgânicos terem mobilidade eletrônica muito baixa.
Também facilita o controle dos caminhos de condução para elétrons e lacunas (holes) em nível molecular, passo necessário para fabricar transistores e chips de computação a partir deste material.
Também é possível que o grafeno possa ser “dotado” de um gap de banda, outro caminho explorado com mais detalhes em nosso artigo “Semicondutores de Grafeno – Eles Finalmente Chegaram?”.
Tanto o potencial dos semicondutores de grafeno quanto dos semicondutores orgânicos com especificações semelhantes ao grafeno podem ter muitas aplicações possíveis.
Claro, isso só se continuarmos a computação baseada em semicondutores, em vez de fotônica, como discutido em “Avançando os Semicondutores – Poderão Feixes ‘Donut’ se Transformar em Blocos ‘Lego’ e Revolucionar as Abordagens da Indústria?” ou computação quântica, como discutido em “O Estado Atual da Computação Quântica”.
Semicondutores
Enquanto o silício está alcançando um limite devido às suas características físicas, a condutividade semelhante ao grafeno pode tornar os semicondutores orgânicos um material de substituição viável para manter a Lei de Moore válida, porque elétrons mais rápidos se traduzem em computação mais rápida.
Isso adiciona material orgânico aos candidatos para substituir o silício, juntamente com grafeno aprimorado e Isolador‑Para‑Metal (IMT) como dióxido de vanádio (você pode ler mais sobre esses avanços tecnológicos de semicondutores em “Acompanhando a Lei de Moore com Substratos Ativos e Computação Neuromórfica“).
Baterias
Outra indústria que está buscando usar material orgânico para substituir metais é a indústria de baterias, que está impulsionada pelo boom de veículos elétricos e energias renováveis.
Se materiais orgânicos puderem exibir propriedades semelhantes ao grafeno, eles poderiam ser uma opção para baterias de grafeno, uma das muitas químicas possíveis de baterias para veículos elétricos, que discutimos em “O Futuro da Mobilidade – Tecnologia de Baterias“.
Empresas de Semicondutores
1. IBM
IBM Gráfico de preços
Um pioneiro histórico em computação, semicondutores e design de chips, a International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) tem estado presente na maioria das inovações de ponta em computação e na indústria de semicondutores.
Isso inclui materiais orgânicos condutores como discutido neste artigo, mas também computação neuromórfica, computação quântica, fotônica, etc.
Juntamente com a Intel (INTC ), a IBM está entre as empresas que mais impulsionam agressivamente novas formas de tecnologias de computação, buscando replicar a computação não baseada em silício e seus sucessos passados.
Isso coloca a IBM em uma boa posição para aproveitar seu enorme orçamento de P&D e rede de parceiros de pesquisa para explorar descobertas como semicondutores orgânicos semelhantes ao grafeno.
2. ON Semiconductor Corporation
ON Gráfico de preços
ON Semi é uma empresa de semicondutores especializada em eletrificação, incluindo no setor automotivo, mas também em outros setores como energia solar, baterias, aeroespacial, telecomunicações, data centers e médico. Como tal, é um parceiro chave para muitas das maiores empresas industriais do mundo.
Fonte: ON Semi
Uma grande parte da vantagem tecnológica da ON Semi baseia‑se em carbeto de silício, um tipo de composto de silício‑carbono usado em sistemas elétricos de alta energia. Eles permitem, notavelmente, cargas de potência muito altas necessárias para o carregamento rápido de veículos elétricos.
O carbeto de silício é o químico usado recentemente por pesquisadores para desenvolver grafeno semicondutor, como discutido em nosso artigo “Semicondutores de Grafeno – Eles Finalmente Chegaram?“.
A estratégia da ON Semi de apostar fortemente no carbeto de silício levou a empresa a experimentar um aumento nas receitas nos últimos anos, impulsionado pela revolução dos veículos elétricos.
A expertise da ON Semi em carbeto de silício e, em geral, em semicondutores que utilizam carbono pode ser valiosa na industrialização de semicondutores baseados tanto em grafeno quanto em materiais orgânicos.
Enquanto isso, a necessidade de baterias e sistemas elétricos cada vez mais poderosos e eficientes, os carbetos de silício, estão se tornando cada vez mais importantes na cadeia de suprimentos global. Como líder no setor, a ON Semi provavelmente se beneficiará enormemente da tendência de eletrificação, especialmente dos veículos elétricos.
Finalmente, também é possível que, se os semicondutores orgânicos tiverem aplicações na tecnologia de baterias, a forte presença da ON Semi no setor possa ajudá‑la a ser uma das primeiras empresas em posição de implantar essa tecnologia.
