Kan organiska halvledare kombinera fördelarna med grafen och kisel?

Grafenens halvledarpotential som missades

Graphene har länge betraktats som ett mirakelmaterial med exceptionella egenskaper som kan spela en roll i nästa generations halvledare. Dess uppfattning som ett mirakelmaterial är mångfacetterad på grund av dess fysiska egenskaper, då det är 200 gånger starkare än stål och dess elektronrörlighet är 140 gånger snabbare i grafen än i kisel.

Källa: Visual Capitalist

Till en början trodde forskare som studerade grafen att den kunde ersätta kisel i halvledare. Tyvärr saknar den en viktig elektronisk egenskap som kallas ett “bandgap”.

Ett bandgap avgör om ett material kommer att betraktas som en metall (leder elektricitet), en isolator (blockerar elektricitet) eller en halvledare (som kan växla mellan att vara ledande och isolerande).

Källa: Energy Education

Problemet är att grafen helt saknar ett bandgap, vilket hindrar dess användning som halvledare.

Dock kan en annan materialtyp ha samma elektronrörlighet som grafen men uppvisa ett bandgap som är kompatibelt med halvledarförmågor. Detta material kallas en organisk polymer.

Bygga organiska halvledare

Det som gör grafen så ledande är två faktorer:

1. Det är i princip ett 2D‑material som bildar ett perfekt platt monoatomiskt lager av kolatomer.
2. Elektronerna mellan kolens hexagoner kan flöda nästan fritt mellan de atomstrukturer som kallas aromatiska kolväten.

Källa: Britannica

Aromatiska kolväten är faktiskt mycket vanliga i naturen, men det tvådimensionella lagret av grafen är mycket mer sällsynt. Dock har många organiska material potentialen att uppvisa det bandgap som saknas i grafen.

Forskare vid Sydkoreas Pohang University of Science and Technology (POSTECH), Prof. Kimoon Kim, Prof. Ji Hoon Shim, Prof. Jun Sung Kim och Dr. Yeongsang Lee, sökte efter ett sätt att omvandla vanligt organiskt material till något liknande grafen.

Källa: POSTECH

Tillverkning av organiska polymerer i 2D

Det som hindrar organiska polymerer från att fungera som grafen är att under deras polymerisation blockerar lager‑stackning polymerens tillväxt.

Forskarna upptäckte att genom att tillsätta kemiska grupper som blockerar monomerers bindning (steriskt hinder) kunde de undertrycka staplingen av tvådimensionella polymerintermediärer. Den använda organiska polymeren var triazacoronene.

Källa: POSTECH

De lade sedan till polymersyntesen ett steg som kallas p‑typ dopning, som vanligtvis används vid produktion av halvledare. Detta innebär att tillsätta element till ett halvledarmaterial för att göra det ännu mer ledande.

Källa: Wikipedia by VectorVoyager 

Det resulterande materialet har av forskarna beskrivits som att ha “enastående elektrisk ledningsförmåga”.

Den enorma potentialen hos organiska halvledare

Denna prestation löser problemet med att organiska halvledare har för låg elektronrörlighet.

Den gör också det enklare att kontrollera ledningsvägarna för elektroner och hål på molekylär nivå, ett nödvändigt steg för att tillverka transistorer och datorkretsar av detta material.

Det är också möjligt att grafen kan “ges” ett bandgap, en annan väg som utforskas mer i detalj i vår artikel “Grafenhalvledare – Är de äntligen här?“.

Både potentialen hos grafenhalvledare och organiska halvledare med grafenliknande specifikationer kan ha många möjliga tillämpningar.

Självklart är det bara om vi fortsätter att beräkna med halvledare, istället för fotonik som diskuteras i “Framsteg inom halvledare – Kan ‘Donut’-strålar till ‘Lego’-block sättas för att omkullkasta branschens tillvägagångssätt?” eller kvantberäkning som diskuteras i “Det aktuella läget för kvantberäkning”.

Halvledare

Medan kisel närmar sig en gräns på grund av sina fysiska egenskaper, kan grafenliknande ledningsförmåga göra organiska halvledare till ett livskraftigt ersättningsmaterial för att hålla Moores lag giltig, eftersom snabbare elektroner omvandlas till snabbare beräkningar.

Detta lägger till organiskt material bland kandidaterna för att ersätta kisel, tillsammans med förbättrad grafen och Isolator‑till‑metall (IMT) som vanadinoxid (du kan läsa mer om dessa halvledarteknikframsteg i “Hålla takten med Moores lag med aktiva substrat och neuromorfisk beräkning“).

Batterier

En annan industri som tittar på att använda organiskt material för att ersätta metaller är batteriindustrin, som drivs av boomen inom elbilar och förnybar energi.

Om organiska material kan uppvisa grafenliknande egenskaper, kan de vara ett alternativ för grafenbatterier, en av de många möjliga batterikemierna för elbilar, vilket vi diskuterade i “Framtiden för mobilitet – Batteriteknik“.

Halvledarföretag

1. IBM

En historisk pionjär inom databehandling, halvledare och chipdesign, International Business Machines Corporation (IBM) har varit närvarande i de flesta banbrytande innovationerna inom databehandling och halvledarindustrin.

Detta inkluderar ledande organiska material som diskuteras i denna artikel, men också neuromorfisk beräkning, kvantberäkning, fotonik, etc.

Tillsammans med Intel är IBM bland de företag som mest aggressivt driver på för nya former av beräkningstekniker, och söker efter att reproducera icke-silikonberäkning och dess tidigare framgångar.

Detta placerar IBM i en god position att utnyttja sin enorma FoU‑budget och nätverk av forskningspartner för att exploatera upptäckter som grafenliknande organiska halvledare.

2. ON Semiconductor Corporation

ON Semi är ett halvledarföretag som specialiserar sig på elektrifiering, inklusive inom fordonsindustrin, men också i andra sektorer som solenergi, batterier, rymdteknik, telekommunikation, datacenter och medicin. På så sätt är det en nyckelpartner för många av de största industriföretagen i världen.

Källa: ON Semi

En stor del av ON Semis teknologiska fördel baseras på siliciumkarbid, en typ av kisel‑kol‑förening som används för högenergisystem. De möjliggör särskilt mycket hög effektbelastning som krävs för snabb laddning av elbilar.

Siliciumkarbid är den kemikalie som forskare nyligen använt för att utveckla halvledande grafen, som diskuteras i vår artikel “Grafenhalvledare – Är de äntligen här?“.

ON Semis strategi att satsa ännu mer på siliciumkarbid har lett till att företaget upplevt en intäktsökning de senaste åren, drivet av elbilsrevolutionen.

ON Semis expertis inom siliciumkarbid och generellt halvledare som använder kol kan vara ovärderlig för att industrialisera halvledare baserade på antingen grafen eller organiska material.

Under tiden blir behovet av allt kraftfullare och effektivare batterier och elsystem, samt siliciumkarbider, allt viktigare i den globala leveranskedjan. Som ledare inom sektorn kommer ON Semi sannolikt att dra stor nytta av elektrifieringstrenden, särskilt för elbilar.

Slutligen är det också möjligt att om organiska halvledare har tillämpningar inom batteriteknik, kan ON Semis starka närvaro i sektorn hjälpa dem att bli ett av de första företagen som kan implementera denna teknik.